El Concepto de La Bomba Sumergible FLYGT

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índice Introducción 1

Criterios de diseño: Esquema general

2

Coste total de la vida de un bombeo

3

Tipos de bomba y campos de aplicación 3.1

Clasificación general de las bombas

3.1.1 3.1.2 3.1.3

3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.3.4 3.1.3.5 3.1.3.6

Bombas volumétricas Rotodinámicas Otras clasificaciones de las rotodinámicas

BOMBAS DE FUNCIONAMIENTO EN SECO BOMBAS SUMERGIBLES BOMBAS MONOETAPA BOMBAS MULTIETAPA BOMBAS CON DIFUSOR DE VOLUTA BOMBAS CON DIFUSOR DE ÁLABES DIRECTORES

4

Tipos de impulsores y campos de aplicacion

5

El concepto de la bomba sumergible FLYGT 5.1

Campos de aplicación de las bombas sumergibles

5.2

Formas de instalación de las bombas sumergibles

5.3

Ventajas de las instalaciones con bombas sumergibles

6

Descripción general de una bomba 6.1

Apartado eléctrico. Motor

6.1.1

Descripción de un motor eléctrico de inducción índice

I

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6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8 6.1.9 6.1.10 6.1.11

6.2

Esquema del bobinado de un estator Aislamiento de un motor Tipos de servicio Grados de protección ambiental Conexionado de un motor asíncrono Selección correcta de un motor Problemas en un motor de inducción Parámetros característicos de un motor Refrigeración de motores eléctricos Cables eléctricos

Apartado hidráulico. Bomba

6.3 Apartado mecánico. Acoplamientos 6.3.1 Solicitaciones y diseño de ejes 6.3.2 Problemas en ejes 6.3.3 Rodamientos 6.3.4 Elementos estáticos de sellado 6.3.5 Elementos dinámicos de sellado. Juntas mecánicas

7

Materiales constructivos 7.1

Materiales metálicos usados en la fabricación de bombas

7.2

Materiales plásticos y elastómeros usados en la fabricación de algunos componentes

7.3 Deterioro de los materiales 7.3.1 Corrosión de los metales 7.3.2 Corrosión de los materiales polímeros 7.3.3 Protección en agua residual urbana 7.3.4 Protección en agua residual industrial 7.3.5 Protección en agua de mar 7.3.6 Desgaste de piezas

8

II

Curvas y parámetros característicos en las bombas 8.1

Potencia y rendimiento

8.2

Curvas características de una bomba. Caudal-Altura, potencias, rendimientos, NPSH

8.3

Curva del sistema (curva resistente). Punto de trabajo

8.4

Curvas a distinta velocidad: variaciòn de frecuencia

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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8.5

La zona de trabajo segura y eficiente.

8.6

Curva del motor.

8.7

Curvas de par e intensidad

9

Sistemas hidráulicos multibomba 9.1

Conexión de bomba en paralelo

9.2

Conexión de bombas en serie

10

Protecciones de un grupo moto-bomba

10.1 Protecciones internas 10.1.1 Sensores de temperatura 10.1.2 Sensores de filtración o de humedad 10.2 Protecciones externas. 10.2.1 Sistemas de protección estándar

11

Sistemas de arranque de bombas

11.1 Arranque directo 11.2 Arranques indirectos: disminución de la punta de intensidad en el arranque 11.2.1 Arranque estrella-triángulo 11.2.2 Arranque por autotransformador 11.2.3 Arrancadores estáticos (Arrancador suave) 11.2.4 Variadores de frecuencia 11.1 Arranque de bombas contra un sistema hidráulico

12

Control de estaciones de bombeo

12.1 Secciòn de potencia 12.1.1 Sistemas de conmutaciòn de energía 12.1.2 Sistemas de protección física 12.2 Secciòn de control 11.2.1 Control por hardware (cableado físico) 11.2.2 Control por software 11.2.3 Programación: abierta y cerrada 11.2.4 Simple 11.2.5 Controlador específico o PLC 11.2.6 Funciones de un sistema de control índice III

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13

Variadores de frecuencia

13.1 Comportamiento de la bomba trabajando con variador 13.2 Descripción de un variador 13.3 Control del variador con varias bombas en paralelo 13.4 Par constante y par variable 13.5 Consideraciones en la selección de un variador 13.6 Compatibilidad electromagnética 13.7 Pérdidas producidas por un variador 13.8 Problemas causados por los variadores

14

Diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo

14.1 Volumen activo y tiempo ciclo 14.1.1 Cálculo del volumen activo mínimo en pozos con una bomba 14.1.2 Cálculo de volumen mínimo en pozos con dos o más bombas. 14.1.3 Cálculo simplificado del volumen ùtil de un pozo 14.2 Diseño de pozos de bombeo con bombas sumergibles centrìfugas 14.2.1 Criterios generales 14.2.2 Diseño estándar de un pozo de bombeo con dos bombas 14.2.3 Diseño de pozos de bombeo con varias bombas 14.3 Diseño de pozos de bombeo con bombas sumergibles axiales 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4

Criterios generales Diseños estándar de estaciones de bombeo axiales Configuración y dimensiones recomendadas Estaciones con varias bombas

14.4 Efectos nocivos en los bombeos y elementos correctores IV

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14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.4.4 14.4.5 14.4.6 14.4.7

15

Entrada de aire Distribuciòn de velocidad no uniforme Prerrotaciones Vorticidad Sedimentaciones y flotantes Cámara tranquilizadora Elementos correctores

Depósitos de retención: Funcionamiento y control

15.1 Introducción 15.2 Sistemas de control 15.3 Secuencia de procesos 15.4 Conclusiones finales

16

Fenómenos a tener en cuenta en el diseño de sistemas de bombeo

16.1 Golpe de ariete 16.1.1 Descripción del fenómeno 16.1.2 Definición de los parámetros que intervienen 16.1.3 Sobrepresiones y depresiones 16.1.4 Protección contra el golpe de ariete 16.2 Cavitación 16.2.1 Descripción del fenómeno 16.2.2 La cavitación en las bombas. Concepto de NPSH 16.2.3 Otras causas de la cavitación en bombas 16.3 Pérdidas de carga 16.3.1 Régimen laminar y régimen turbulento 16.3.2 El número de Reynolds y la rugosidad relativa 16.3.3 Coeficiente de pérdidas de carga. Fórmulas de cálculo 16.3.4 Fórmulas empíricas de cálculo 16.3.5 Pérdidas de carga secundarias 16.4 Vibraciones 16.4.1 Fuentes de vibraciones en las bombas 16.4.2 Formas de reducir los niveles de vibración 16.4.3 Niveles y medición de la vibración 16.5 Ruido índice

V

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16.5.1 16.5.2 16.5.3 16.5.4

Procedencia del ruido en instalaciones de bombeo Medida del ruido. La escala en decibelios Otras causas del ruido en bombas Recomendaciones para reducir el nivel de ruido

16.6 Sumergencia 16.6.1 La sumergencia en bombas sumergibles 16.6.2 Cálculo de la sumergencia mínima

17

Prueba de bombas

17.1 Pruebas en motores 17.2 Pruebas en bombas 17.3 Medición de la presión 17.4 Medición del caudal 17.5 Medición de la potencia consumida 17.6 Tolerancias permitidas en la prueba 17.7 Funcionamiento el banco de pruebas 17.8 Puesto de control. Sistema de adquisición de datos 17.9 Informe de los resultados obtenidos 17.10 Calibración

ANEXO I: DETERMINACIÓN DE CAUDALES 1.

Determinaciòn del caudal de diseño en sistemas pequeños o domésticos

2.

Cálculo de caudales para sistemas de alcantarillados sanitarios y pluviales 2.1 Cálculo de caudales sanitarios o de aguas residuales

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 VI

APORTES DOMÉSTICOS APORTES COMERCIALES APORTES INDUSTRIALES APORTES INSTITUCIONALES CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES CAUDAL MÀXIMO HORARIO APORTES POR AGUAS DE INFILTRACIÒN Y CONEXIONES ERRADAS

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2.1.8

CAUDAL DE DISEÑO

2.2 Cálculo de caudales pluviales o de drenaje

2.2.1

EVALUACIÒN DEL CAUDAL DE DISEÑO

ANEXO II: TABLAS DE PÉRDIDAS DE CARGA 1.

Coeficientes de pérdidas de carga puntuales

2

Monograma de cálculo de la función equivalente

3

Tablas para el cálculo de λ en función de Re y K/D

4

Pérdidas de carga en mangueras

5

Diagrama de Moody

ANEXO III: OTROS EQUIPOS TFB - FLYGT 1.

Equipos para tratamientos terciarios: aplicaciones en reutilización de agua 1.1 1.2

Membrana ultrafiltración Sistema MBR y membrana ZeeWeed MBR

2.

Agitadores sumergibles

3.

Tamiz de escalera autolimpiante

4.

Difusores de burbuja fina

ANEXO IV: TABLAS DE PRESIÓN DE SATURACIÓN (VAPOR) DEL AGUA A DISTINTAS TEMPERATURAS

índice VII

El objetivo de este libro es familiarizar al proyectista o diseñador de instalaciones de bombeo con la tecnología de las bombas sumergibles, así como dotarle de las herramientas de diseño y de cálculo que le permitan definir dichas instalaciones de la forma más adecuada posible. El correcto diseño de una estación de bombeo debe ser integral, es decir, capaz de aunar la parte hidráulica, mecánica y eléctrica de modo que se garantice la fiabilidad del sistema, así como la duración de todos sus elementos. Es en este propósito, en el de instruir en el correcto diseño y dimensionamiento de los pozos o estaciones de bombeo, en el que, además de los conocimientos teóricos hidráulicos universalmente aceptados, TFB-Flygt puede hacer su mayor aporte en conocimientos empíricos basados en más de 56 años de experiencia en tecnología sumergible y en sus más de 4.000 proyectos de instalaciones de bombeo funcionando en los cinco continentes. En el presente libro, se describirán los distintos tipos de bombas existentes, así como sus campos de aplicación; si bien sus contenidos se centrarán en las bombas sumergibles, al tratarse de la tecnología más adecuada y rentable hoy en día en instalaciones de bombeo de aguas residuales, drenajes, trasvases de grandes caudales y numerosas aplicaciones industriales. En cualquier caso, la mayor parte de los apartados de este libro son perfectamente aplicables a otros sistemas de bombeo diferentes al sumergible. En el mismo sentido, y dado que el bombeo es tan sólo una pequeña parte de los numerosos procesos que el tratamiento de aguas requiere, al final del libro se incluye un anexo con un resumen de las distintas tecnologías que TFB-Flygt ha desarrollado durante los últimos años en este campo, principalmente en lo que se refiere a agitación, aireación, tamizado y tratamientos terciarios como la ultrafiltración.

introducción

Introducción

Introducción

2 Coste total de la vida de un bombeo

Como media, y dependiendo mucho del tipo de instalación y de servicio requerido, se puede decir que los costes de inversión inicial suponen tan sólo del 10 al 30 % de los costes totales de la vida de un bombeo, siendo casi siempre, los costes debidos a los consumos eléctricos y las posteriores labores de operación de los equipos, los más importantes en cuantía.

Distribución de costes en la vida de un bombeo.

Coste de inversión Coste de operación Coste de consumo energético

Capítulo 2

Uno de los criterios más importantes a la hora de diseñar una estación de bombeo, es el criterio económico. Sin embargo, en numerosas ocasiones, el proyectista tiene en consideración este criterio tan sólo de forma parcial, calculando y comparando los costes iniciales o de inversión en equipos, instalación y obra civil; y olvidando los costes posteriores, consumos, mantenimiento, costes provocados por la falta de servicio… mucho más importantes en cuanto a la cuantía que los primeros.

Costes varios

Por tanto, para la correcta selección de una bomba, y por extensión, de un sistema de bombeo completo; es muy importante comparar el LCC de las distintas opciones posibles, siendo el parámetro LCC (“Life Cycle Cost”), el coste total de la vida del bombeo, que a continuación se desarrolla.

coste total de la vida de un bombeo

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El coste total de la vida de un bombeo, comprende las siguientes partes:

Lcc = Cinv + Cop + Cce + Cv Siendo: Cinv = Costes de inversión o costes iniciales. Cop = Costes de operación. Cce = Costes de los consumos eléctricos. Cv = Costes varios. A su vez, estos costes se dividen en los siguientes: Cinv = Cinv.c + C inv.b + Cinv.ea + Cinv.oc + Cinst Cop = Cm + Crep. Cv = Cma + Cf. Siendo: Cinv.c= Coste de inversión en conducciones. Cinv.b = Coste de inversión en bombas. Cinv.ea = Coste de inversión en equipos auxiliares. Cinv.oc = Coste de inversión en obra civil. Cinst.inst = Coste de instalación. Cm = Coste de mantenimiento (preventivo). Crep. = Coste de las reparaciones. Cma. = Coste medioambiental. Cf. = Coste de los fallos o lucro cesante. Por tanto, el coste total de la vida de un bombeo será:

Lcc = Cinv.c + Cinv.b + Cinv.ea + Cinv.oc + Cinst + Cce + Cm + Crep + Cma + Cf

Para una correcta comparación, sería necesario poner todos los costes a tiempo actual, es decir, no vale igual un euro gastado hoy, por ejemplo en una bomba más cara, que un euro gastado dentro de 10 años, por ejemplo, en una reparación. Evidentemente, el dinero hoy vale más que el dinero mañana y para sumar y comparar todos esos costes es necesario homogeneizarlos, calculando el Coste presente o actualizado de todos ellos. Para actualizar dichos costes, se usa la misma fórmula que la del Valor Actual Neto (VAN) de una inversión.

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La formula es:

Cp = Cn

Cn (1 + (i − p )) n

Siendo: Cp = Coste presente o actualizado Cn = Coste en el año n. i = Tipo de interés estándar. p = Inflación media prevista. n = Número de años. Por tanto, para calcular el Coste total actualizado (Ctp) de cada una de las anteriores partidas, será necesario hacer el sumatorio de todos los costes actualizados para cada uno de los años (x) previstos del bombeo.

Ctp = ∑ Cp x

La interpretación y valoración de los costes anteriormente enumerados, es la siguiente: 1.- Cinv.c= Coste de inversión en conducciones. Es el coste de inversión en tuberías y accesorios. Influye sustancialmente en los costes totales del bombeo de la siguiente manera: •

Las conducciones de menor diámetro son más baratas en el momento de la inversión, pero producen mayores pérdidas de carga, y por tanto un mayor consumo energético en las bombas para poder superarlas. Como norma general, usar diámetros menores puede ser rentable en bombeos puntuales o poco frecuentes (p.e bombeos de emergencia), sin embargo, en bombeos de uso frecuente, el emplear conducciones más amplias siempre es más económico a medio y largo.

•

El empleo de accesorios de protección en las conducciones, como por ejemplo ventosas, válvulas antirretorno intermedias, dispositivos antiariete… encarece la inversión inicial; pero minimiza el riego de fallos, y por tanto disminuye los costes de reparación y los originados como consecuencia de dichos fallos.

coste total de la vida de un bombeo

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2.- Cinv.b = Coste de inversión en bombas. El coste de inversión en las bombas, es uno de los más delicados de estudiar ya que de éste equipo dependerán la mayoría de los costes de operación posteriores. Son muchos los factores que influyen, siendo los más importantes los siguientes: •

Rendimiento: Un punto de servicio determinado (caudal y altura), puede ser proporcionado por varios modelos; es muy importante prestarle atención a aquellos con mayor rendimiento, sobre todo hidráulico, ya que de éste parámetro dependerán los consumos energéticos posteriores como uno de los costes más importantes en la vida de una bomba.

•

Número de polos: Por lo general, las bombas con menos números de polos, son más baratas que las que disponen de un número mayor de éstos; sin embargo, como las primeras giran a mayor velocidad que las segundas, en la misma proporción aumentarán los posibles problemas de mantenimiento, en particular los debidos al mayor desgaste de las partes móviles (rodamientos, impulsor, eje…)

•

Diámetro de la voluta y de la brida de salida: Una bomba con mayor voluta, será considerablemente más cara que una dotada de una voluta menor; pero la primera permite velocidades menores del fluido dentro de ésta, y por tanto menores desgastes y vibraciones, disminuyendo de esta manera los costes de operación posteriores. Aunque esta consideración es importante, influye menos en el coste total del bombeo que las anteriores.

•

Tipo de Impulsor: Con independencia del precio del mismo, poco relevante en comparación con el coste total de la bomba, la selección correcta del impulsor influye de forma esencial en el coste total del bombeo ya que impulsores cerrados de mayor rendimiento, y por tanto de menor consumo; pueden ser mucho más conflictivos con respecto a los atascos, sobre todo en aguas residuales, disparando de esta manera los costes debidos a mantenimiento, reparaciones, y sobre todo de lucro cesante, o costes generados como consecuencia de los fallos del bombeo.

•

Materiales de la bomba: Dependiendo del tipo de agua que se quiera bombear y de los sólidos que ésta contenga, puede ser más interesante aumentar los costes de la inversión inicial empleando materiales especiales en la bomba (aceros inoxidables, epoxis…), disminuyendo de ésta manera los costes operación o de fallo posteriores.

3.- Cinv.ea = Coste de inversión en equipos auxiliares. Equipos auxiliares como variadores de frecuencia, arrancadores suaves, protecciones térmicas y de humedad, pueden suponer un importante coste inicial; pero verse ampliamente amortizados con disminuciones de consumo posteriores, como sería el caso de los variadores de frecuencia; o con la ausencia de averías 6

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imprevistas como sería el caso de todas las protecciones de la bomba. Estos equipos auxiliares y su incidencia en los costes totales del bobeo, se contemplan más detenidamente en los posteriores capítulos. 4.- Cinv.oc = Coste de inversión en obra civil. La selección de los equipos correctos puede disminuir considerablemente los costes de la obra civil, y por tanto los costes totales. Por ejemplo, el uso de bombas sumergibles en vez de exteriores permite la simplificación del pozo de bombeo y por tanto su abaratamiento. En el mismo sentido, un pozo demasiado pequeño, y por tanto de menor inversión inicial, puede provocar demasiados arranques de las bombas que contiene y, por tanto, su rápido deterioro, con el consecuente aumento de los costes de mantenimiento y de fallo. 5.- Cinv.inst = Coste de instalación. Este coste comprende desde la fijación de las bombas a sus soportes junto con todos los ajustes necesarios, hasta la puesta en marcha del sistema, incluyendo pruebas y tomas de datos de funcionamiento. En este caso, a la hora de seleccionar un tipo de bomba y de comparar sus costes, sobre todo si se es el constructor o instalador de los equipos, es necesario considerar la complejidad de su instalación; por ejemplo, una bomba vertical no sumergida requiere unos ajustes y alineaciones de eje que una bomba sumergible no necesita, compensando de esta manera la diferencia inicial de precio entre ambas. 6.- Cce = Costes de los consumos eléctricos: Este es el coste más importante, y por tanto al que se le debe prestar mayor atención. El consumo de una bomba es básicamente función del precio de la energía, y por tanto de los horarios en que las operaciones de bombeo tienen lugar en el caso de que la tarifa eléctrica varíe con la hora, así como función del número de horas en que ésta funciona, y función de la potencia requerida para el bombeo. La expresión que recoge lo anterior es:

Cce = ∑ Pc × nef × Pe(h) Siendo: Pc = Potencia eléctrica consumida en el punto de servicio (kW). nef = Número de horas en funcionamiento en cada franja horaria de consumos (h). coste total de la vida de un bombeo

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Pe(h) = Precio de la energía en función de la hora (€/kWh). La potencia consumida, además del punto de servicio requerido (del caudal y de la altura), depende del rendimiento total de la bomba, valor que a su vez está en función del rendimiento hidráulico, mecánico y eléctrico de cada una de sus partes.

Pc = D × g × ρ × Q × Hm Siendo: D = densidad del fluido (Kg/m3) g = 9,8 m/s ρ = rendimiento de la bomba. Q = Caudal (m3/s) H = Altura manométrica (mca) El rendimiento hidráulico, por tanto, debe ser uno de los valores a tener más en consideración a la hora de elegir una bomba determinada, ya que afecta de forma proporcional al consumo final del equipo. En el caso de bombeo de aguas residuales, el rendimiento hidráulico disminuye con el tiempo como consecuencia de los distintos desgastes a los que la bomba se encuentra sometida, en concreto por las holguras y pérdidas que éstos provocan; por tanto un buen mantenimiento, y el cambio de algunas piezas críticas con cierta frecuencia, contribuirá considerablemente a la disminución de los costes energéticos. A la hora de calcular dichos costes, se debe de tener en cuenta esta caída de rendimiento en función del tiempo. Como media, se pueden aplicar los siguientes coeficientes correctores: • • • •

Impulsor cerrado con impulsor con holgura ajustable: 1,4% de incremento en los consumos estimados. Impulsor semiabierto con impulsor con holgura ajustable: 2,8% de incremento en los consumos estimados Impulsor cerrado con impulsor sin holgura ajustable: 2,9% de incremento en los consumos estimados Impulsor semiabierto con impulsor sin holgura ajustable: 4,8% de incremento en los consumos estimados

7.- Cm = Coste de mantenimiento (preventivo) Este coste comprende todas las labores de mantenimiento, cambios de aceites, revisiones, cambios de rodamientos… que se realizan de forma programada, es decir, no como motivo de una avería sobrevenida. En este coste hay que considerar el precio de los repuestos y consumibles, muchas veces propios del 8 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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fabricante y por tanto con precios “cautivos”; pero sobretodo hay que considerar el coste de la mano de obra, u horas/hombre necesarias para las distintas operaciones de mantenimiento. En este tiempo, influye sobretodo la facilidad de acceso a las partes que han de ser cambiadas o revisadas; por ejemplo; una bomba exterior de cámara partida radialmente tendrá un coste de mantenimiento superior a una con la cámara partida de forma axial, o una bomba sumergible con acoplamiento automático, ya que la primera requiere unas operaciones de desmontaje mucho más complicadas que las segundas. El análisis de estos costes nos permitirá tomar la decisión correcta en la selección de la bomba, atendiendo al coste total de la vida del bombeo. Por ejemplo, en bombeos con líquidos abrasivos o conflictivos por cualquier razón, que requieran numerosas labores de mantenimiento o cambio de piezas de desgaste, será mucho más interesante una inversión basada en la facilidad del acceso al equipo en un equipo de más fácil acceso, que una que atienda únicamente al precio inicial de la bomba. 8.- Crep. = Coste de las reparaciones. Este coste incluye todos aquellos incidentes o averías no previstas en un plan de mantenimiento, siendo por tanto el más difícil de determinar; si bien, de forma estadística podemos conocer los ratios de número de averías y el coste de éstas en función del tipo de bomba empleado y de los elementos de protección de los que se ha dotado. De este modo se puede obtener una estimación de dichos costes que nos permita seleccionar el equipo y los elementos de protección más adecuados. En este sentido, es recomendable trabajar siempre con los fabricantes con mayor experiencia en el sector, de modo que disponga de numerosos datos y referencias previas que permitan prever este coste y tomar la decisión correcta. 9.- Cma. = Coste medioambiental. Por coste medioambiental entendemos el coste de eliminación correcta de los residuos generados, principalmente aceites. También incluye el tratamiento posterior de las aguas de refrigeración en el caso de que estas sean exteriores. 10.- Cf. = Coste del fallo o lucro cesante. Este es el coste provocado por la falta de servicio de una bomba que se haya averiado de forma imprevista. Este coste puede ser insignificante o realmente grave en función de la responsabilidad e importancia del servicio fallido, por ejemplo la parada de una línea de producción, o las multas consecuencia de un vertido al río de aguas residuales por no haber podido trasladarlas a la depuradora como consecuencia del fallo de un bombeo.

coste total de la vida de un bombeo

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Este coste está directamente relacionado con la fiabilidad de los equipos. Por tanto, en aquellas aplicaciones de responsabilidad y con un alto coste de fallo, es crucial emplear marcas de reconocido prestigio y suficiente experiencia que, además de garantizar la calidad de los equipos, puedan asegurar un servicio postventa adecuado y cercano; ya que de esto último dependerá básicamente el plazo de las reparaciones, minimizando el tiempo en el que los equipos estén parados y por tanto el coste de fallo.

Delegaciones y puntos de servicio de TFB-Flygt en España

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bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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3 Tipos de bomba y campos de aplicación

1.- En función de las características de la toma se elegirá el tipo de bomba a utilizar. Para sistemas en los que la admisión del fluido sea en carga a través de una conducción a presión, como por ejemplo salidas de embalses o circuitos cerrados, la bomba más adecuada es la bomba exterior, o de cámara seca, bien horizontal, bien vertical. En los casos en que la toma sea atmosférica; es decir, directamente de un canal, pozo o cámara de bombeo, las bombas más adecuadas serán las sumergibles. 2- En función del punto de funcionamiento, y de otros parámetros importantes del servicio a desarrollar, como el tipo y la cantidad de sólidos a transportar, se escoge el tipo y las características del impulsor, así como el motor necesario para satisfacer la demanda energética que aquel le requiere; en definitiva, se define el modelo de la bomba. 3.- En función del tipo de fluido a transportar y de su agresividad por corrosión, abrasión…, se elegirán los materiales del impulsor y del resto de las partes en contacto con el líquido.

Capítulo 3

La correcta selección de un tipo de bomba, y por tanto el diseño de una instalación de bombeo determinada, estará en función, esencialmente, de los siguientes aspectos:

Por tanto, en este capítulo y el siguiente, se analizarán los distintos tipos de bombas y de impulsores existentes, sus ventajas y desventajas y sus campos de aplicación, con la intención de dotar al proyectista de criterios suficiente para la correcta selección de los equipos en función de las características específicas y singularidades de su aplicación.

3.1 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS Una bomba, es una máquina que transforma energía mecánica, par por velocidad, en energía hidráulica, caudal por presión. Es decir, su finalidad básica es transmitir a un caudal dado una presión determinada, y ésto lo puede llevar a cabo de varias maneras. Esta forma de transmitir la energía al fluido, constituirá la primera clasificación de las bombas entre bombas volumétricas y bombas rotodinámicas.

tipos de bomba y campos de aplicación

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3.1.1

Bombas volumétricas:

3.1.1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: En las bombas volumétricas, la máquina le transmite la presión al fluido mediante un cambio de volumen en el reducto donde éste se hallaba situado;

3.1.1.2 CLASIFICACIÓN: Dependerá básicamente del tipo de movimiento del elemento móvil. a).- ALTERNATIVAS: En las cuales el movimiento que produce el cambio de volumen que provoca el aumento de presión en el fluido es alternativo o de vaivén. Estas bombas son tipo émbolo/pistón. b).- ROTOESTÁTICAS: En las cuales dicho cambio de volumen, es consecuencia de un movimiento rotativo. Los elementos móviles, y por extensión los tipos de bomba de ésta clasificación son: • • • • • •

Bombas de engranaje. Bombas de paletas. Bombas de lóbulos. Bombas de tornillo. Bombas de membrana. Pistones en estrella. Bomba dosificadora

3.1.1.3 VENTAJAS: • • •

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Se pueden alcanzar presiones tan altas como aguanten los materiales que las constituyen. Rendimientos de transmisión de la energía muy elevados, superiores al 90%. Autoaspirantes, no necesitan ser cebadas.

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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3.1.1.4 INCONVENIENTES: • • • • • •

• •

Son considerablemente más caras y requieren más mantenimiento que las centrífugas. Son más delicadas, y, por tanto, con mayor incidencia de fallos. Menor potencia específica, son más pesadas y voluminosas que las centrífugas para el mismo punto de servicio. Sólo para caudales muy limitados. Al funcionar a muy bajas vueltas requieren de fuertes reductoras, complicando su mantenimiento y encareciendo considerablemente el conjunto. Al tratarse de un movimiento no continuo (alternativas) las distintas piezas en movimiento producen fuertes inercias que transmiten esfuerzos considerables al resto del equipo y a los anclajes. Por ello se limita el tamaño y peso de las piezas móviles, y como consecuencia el caudal que pueden mover. Si falla alguna válvula de seguridad, puede reventar el sistema por sobrepresión. En las alternativas, se transmiten pulsaciones al fluido y por tanto al sistema, siendo necesarios elementos compensadores como calderones.

3.1.1.5 CONCLUSIÓN Y CAMPO DE APLICACIÓN: Se trata de bombas que no tienen limitación de presión (hasta 1.200 kg/mm2) salvo la que impongan los materiales; pero son muy limitadas en el caudal. Además son más caras y requieren mayor mantenimiento que las centrífugas. Por tanto, su campo de aplicación fundamental son los trabajos especiales en los que se requieren muy fuertes presiones y caudales limitados (lanzas de agua, procesos industriales) o bien con fluidos viscosos o densos (fangos, aceite, hormigón) o ambos (sistemas de fuerza hidráulicos). También tienen aplicación cuando, con independencia de la presión, se requiera una gran precisión en el caudal bombeado, sobre todo cuando éstos son especialmente pequeños, como es el caso de las bombas dosificadoras.

3.1.2

Rotodinámicas:

3.1.2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: En las bombas rotodinámicas, la máquina le transmite la presión al fluido mediante cambios de velocidad y de dirección en las partículas del fluido, no hay cambios volumétricos de ningún tipo. Por tanto, la energía se transmite al fluido mediante un elemento móvil denominado rodete, impulsor o hélice, dependiendo de si se trata de una bomba radial o axial; pero en cualquier caso siempre rotativo. tipos de bomba y campos de aplicación 13

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3.1.2.2 CLASIFICACIÓN: La clasificación más general, y que se solapa con las demás, es la clasificación por tipo de impulsor, o forma en que éste transmite la energía al fluido. Ésta diferencia entre: a).- BOMBAS RADIALES: Estas bombas transmiten la energía al fluido en forma de velocidad y presión, mediante la fuerza centrífuga; para ello, someten a las partículas un cambio de dirección de 90ª, entrando a la bomba de forma paralela al eje, y saliendo de forma perpendicular a éste. Con este fin, emplean un elemento móvil, el rodete o impulsor, formado por uno o varios álabes de simple curvatura perpendiculares al eje de la bomba. Este tipo de rodete es adecuado para presiones medio-altas (5-150 mca), y caudales moderados. b).- BOMBAS AXIALES: En estas bombas, la energía no se le transmite mediante un cambio de dirección de las partículas del fluido, sino mediante un cambio de velocidad como consecuencia del empuje físico que los álabes originan sobre las mismas, es decir mediante una fuerza superficial. Por tanto, en estas bombas el fluido entra y sale de forma paralela al eje. El elemento móvil que proporciona dicho empuje es el impulsor o hélice, formado por tres o más álabes de doble curvatura. Este tipo de impulsor, o hélice es adecuado para presiones bajas (0,5-10 mca) y caudales muy grandes. c).- BOMBAS SEMIAXIALES: En estas bombas, la energía se transmite al fluido por el cambio de la velocidad y de dirección de las partículas, y por tanto mediante una combinación de fuerza superficial y centrífuga. Son bombas mezcla de las dos anteriores, y su campo de aplicación estará entre ambos.

Bomba centrífuga o radial

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Bomba axial

FLYGT

3.1.2.3 VENTAJAS: • • • • •

Bombas más baratas de inversión y de mantenimiento. El movimiento es continuo de rotación, y por tanto sin apenas inercias salvo en el arranque. Son bombas que sufren y transmiten menos esfuerzos a los anclajes. Mayor potencia específica. Transmite la misma energía al fluido con menos peso y volumen de equipo. Funcionan a altas vueltas, y por tanto no necesitan reductoras. Acoplamiento directo. No tienen capacidad de sufrir sobrepresiones. Sistemas más seguros.

3.1.2.4 INCONVENIENTES: • •

Peores rendimientos que las volumétricas (60-90 %). No son capaces de proporcionar muy altas presiones; pero si de mover grandes caudales.

3.1.2.5 CONCLUSIÓN Y CAMPO DE APLICACIÓN: Salvo para presiones muy elevadas y caudales muy reducidos, o densidades o viscosidades elevadas siempre se aplicarán bombas rotativas.

3.1.3

Otras clasificaciones de las rotodinámicas:

Este tipo de bombas, están sujetas a numerosas clasificaciones en función del tipo de impulsor, modo de montaje, número de etapas…, todas estas posibilidades se particularizarán a continuación, analizando sus ventajas y desventajas de forma más concreta, así como los campos de aplicación más apropiados para cada tipo. El esquema general de clasificación de las bombas es que se muestra en la página siguiente.

tipos de bomba y campos de aplicación

15

FLYGT

VOLUMETRICAS

Alternativas Rotoestáticas

ROTATIVAS Ó CENTRÍFUGAS

I

Radiales Axiales Semiaxiales

II

Funcionami ento en seco Sumergibles

Verticales Horizontales Pozo profundo De voluta De hélice

III

Cámara partida axial Eje largo Motor sumergible Motor exterior Motor sumergible Motor exterior Motor sumergible

Monoetapa Multietapa

IV

Cámara partida radial

Impulsores seguidos

Impulsores opuestos y alternas Con difusor de voluta Con difusor de álabes directores

16

tipos de bomba y campos de aplicación

FLYGT

3.1.3.1 BOMBAS DE FUNCIONAMIENTO EN SECO Son bombas en las que todas sus partes exteriores, tanto voluta como motor, se encuentran fuera del líquido. 3.1.3.1.1 Ventajas • •

Todos sus elementos son visibles. Son más económicas (el equipo, que no la instalación completa).

3.1.3.1.2 Desventajas • • • • • •

Requiere una edificación como sala de bombas con suficiente espacio. Son instalaciones más ruidosas. Posibles fugas pueden inundar las instalaciones de bombeo. No son autoaspirantes y requieren cebado, y por tanto sus arranques son más complejos. Mayores problemas de NPSH insuficiente y por tanto problemas de cavitación. Hay que tener cuidado de que no funcionen nunca en seco.

3.1.3.1.3 Campo de aplicación Básicamente en todas las instalaciones con tomas en carga o circuitos cerrados. En el caso de que la toma sea atmosférica, cuando el funcionamiento sea muy continuo y por tanto se arranquen en muy pocas ocasiones.

Bombas de funcionamiento en seco

tipos de bomba y campos de aplicación

17

FLYGT

3.1.3.1.4 Bombas de funcionamiento en seco verticales Se trata de bombas exteriores con el eje vertical. El motor se sitúa directamente sobre la parte hidráulica con un acoplamiento corto.

Bombas de funcionamiento en seco verticales

3.1.3.1.4.1 Ventajas (respecto la horizontal) • •

Necesitan mucho menos espacio horizontal (pero más altura). Permite subir el motor de cota minimizando el riesgo eléctrico en caso de inundación.

3.1.3.1.4.2 Desventajas(respecto la horizontal) •

Es necesario quitar el motor para acceder a la parte hidráulica, suelen requerir instalaciones mecánicas auxiliares (pescantes o puentes grúas).

3.1.3.1.4.3 Campo de aplicación • •

El de las bombas de funcionamiento en seco, cuando existan limitaciones de espacio, riesgo de inundación y el mantenimiento no tenga que ser muy frecuente. Cuando el acceso superior sea más sencillo (por ejemplo, mediante arquetas)

3.1.3.1.5 Bombas de funcionamiento en seco horizontales Son bombas exteriores con el eje horizontal. La parte hidráulica es independiente del motor y se encuentran unidos por un acoplamiento más o menos complejo.

18

estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.1.5.1 Ventajas (respecto la vertical) •

• •

Mantenimiento y revisiones mucho más sencillas al poder desmontarse la parte hidráulica sin necesidad de desplazar el motor. Bancada sencilla y económica. Pocos esfuerzos axiales, y por tanto con menor desgaste de rodamientos.

3.1.3.1.5.2 Desventajas • •

Bomba de funcionamiento en seco horizontal de Vogel

Requieren más espacio horizontal. Susceptibles de ser dañadas en caso de inundación

3.1.3.1.5.3 Campo de aplicación El de las bombas de funcionamiento en seco cuando no haya limitaciones de espacio y el mantenimiento tenga que ser muy frecuente (por ejemplo, trabajando con líquidos muy abrasivos) . 3.1.3.1.5.4 Bombas de funcionamiento en seco horizontales de cámara partida axial. Se trata de bombas exteriores con el eje horizontal y con la cámara o voluta dividida de forma paralela al eje.

Bomba de cámara partida de forma axial.

tipos de bomba y campos de aplicación 19

FLYGT

3.1.3.1.5.5 Ventajas (respecto a la cámara partida radial) • •

Se pueden abrir sin tocar las conducciones de entrada y salida de la bomba, facilitando y abaratando considerablemente las labores de mantenimiento. Quedan visibles fácilmente todas las partes móviles de la bomba.

3.1.3.1.5.6 Desventajas(respecto a la cámara partida radial) • •

Son más difíciles de construir, y por tanto más caras. No son válidas para altas presiones. Problemas de estanqueidad en las juntas de la cámara partida.

3.1.3.1.5.7 Campo de aplicación • • •

Aplicaciones que requieran un mantenimiento frecuente. Sobre todo para tamaños grandes y muy grandes. Instalaciones con las conducciones de entrada-salida en línea. Bombas de doble aspiración.

3.1.3.1.6 Bombas de funcionamiento en seco horizontales de cámara partida radial. Bombas exteriores con el eje horizontal y con la cámara o voluta dividida de forma perpendicular al eje, de modo que la tapa de la bomba se embrida por un lado a la conducción de entrada, y por otro lado al cuerpo principal de la misma. El impulsor se desmonta por la aspiración. 3.1.3.1.6.1 Ventajas (respecto a la cámara partida axial) • • • •

Requieren menos NPSH y por tanto tienen menos problemas de cavitación, ya que la aspiración es directa y la entrada del impulsor no está atravesada por el eje. Más baratas. Son más fáciles de acoplar en serie. Aguantan presiones más altas.

3.1.3.1.6.2 Desventajas (respecto a la cámara partida axial) •

Labores de mantenimiento más complicadas ya que hay que desmontar las conexiones para acceder al interior.

3.1.3.1.6.3 Campo de aplicación • • • •

Bombas con conducciones de entrada-salida en ángulo de 90º. Instalaciones que requieran que la bomba esté en voladizo. Aplicaciones con líquidos sucios o viscosos. Bombas multietapa.

20 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Bomba de cámara partida de forma radial

3.1.3.2 BOMBAS SUMERGIBLES Bombas en las que todos o parte de sus componentes principales (voluta y motor) se encuentran sumergidos. 3.1.3.2.1 Ventajas • • •

No requieren aspiración y por tanto no requieren cebado. Arranques muy sencillos. Requieren una obra civil mínima (bombas con motor sumergido) al ir situadas dentro de la misma balsa, pozo o canal. Instalaciones menos ruidosas (bombas con motor sumergido).

3.1.3.2.2 Desventajas • • • •

Requieren una sumergencia mínima. Requieren mayor control y un mantenimiento más especializado. Necesidad de ejes largos caros, difíciles de alinear y de alto desgaste (bombas sin motor sumergible). Son más caras de fabricación (pero no de coste total de la instalación)

3.1.3.2.3 Campo de aplicación • • •

En instalaciones donde la entrada del fluido no sea por una conducción a presión, sino atmosférica. En captaciones, toma del fluido directamente de la balsa, pozo o canal. Al no requerir cebado, en instalaciones que haya que garantizar un arranque rápido o con frecuentes arranques. tipos de bomba y campos de aplicación 21

FLYGT

• • •

En pozos profundos ( bombas de lápiz) En aguas sucias (bombas con motor sumergible). En instalaciones provisionales, como drenajes de obras. (bombas con motor sumergible).

Ejemplo de bomba sumergible Flygt

3.1.3.2.4 Bombas sumergibles de pozo profundo (o de lápiz) Se caracterizan por su diámetro exterior muy pequeño para que quepan en pozos estrechos, sobretodo sondeos. Como la presión no la pueden aportar aumentando el diámetro del rodete, es necesario que la consigan mediante numerosos impulsores, o turbinas en serie, suelen ser bombas de numerosas etapas, hasta 20. Las etapas o turbinas son modulares, se pueden añadir o retirar según necesidades. El conjunto de bomba y tuberías de salida, cuelgan de un cabezal o linterna situada en el exterior. 3.1.3.2.4.1 Ventajas •

Son las únicas que pueden ir en pozo profundo debido a su estrecho diámetro y altas presiones requeridas.

3.1.3.2.4.2 Desventajas •

Son caras de compra y de mantenimiento.

3.1.3.2.4.3 Campo de aplicación Sondeos y pozos profundos 22

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.2.5 Bombas sumergibles de pozo profundo con eje largo En esta bomba sumergible, la campana, o grupo de turbinas se sitúan sumergidas en el interior del pozo, y el motor permanece en el exterior, unidos ambos por un eje tan largo como la profundidad del mismo. 3.1.3.2.5.1 Ventajas • •

Mantenimiento del motor más fácil. No es necesario sacar al exterior todo el conjunto de bombas y conducciones.

3.1.3.2.5.2 Desventajas • •

Necesita ejes muy largos, hasta 200 m; pero no es recomendable superar los 30 m. Requiere mantenimiento de los cojinetes intermedios. Baja fiabilidad.

3.1.3.2.5.3 Campo de aplicación Bombeos en los que no es posible la instalación de un motor eléctrico, y se emplean motores de explosión. 3.1.3.2.6 Bombas sumergibles de pozo profundo y motor sumergido

En esta bomba sumergible, tanto la parte hidráulica como el motor eléctrico se encuentran sumergidos, de modo que el acoplamiento entre ambos es directo y muy corto. 3.1.3.2.6.1 Ventajas •

No necesitan ejes ni cojinetes, por tanto el mantenimiento de la parte mecánica es mínimo.

3.1.3.2.6.2 Desventajas • • •

Como el diámetro del motor está limitado al diámetro del pozo, los bobinados son muy alargados con respecto al óptimo, disminuyendo el rendimiento del motor y la vida útil del mismo. Son más caras. El mantenimiento y las revisiones son muy difíciles. El fallo es imprevisible.

tipos de bomba y campos de aplicación 23

FLYGT

3.1.3.2.6.3 Campo de aplicación Bombeos en pozos profundos (más de 30 m). Pozos en los que la alineación y verticalidad no sea perfecta (inclinados o curvos). 3.1.3.2.7 Bombas sumergibles de voluta En este tipo de bombas todos o parte de sus componentes principales (voluta y motor) se encuentran sumergidos para aplicaciones en las que no hay limitación de espacio, por lo que pueden usar impulsores de gran diámetro y voluta. 3.1.3.2.7.1 Ventajas •

Las descritas en el apartado correspondiente a bombas sumergibles.

3.1.3.2.7.2 Desventajas •

Las descritas en el apartado correspondiente a bombas sumergibles.

3.1.3.2.7.3 Campo de aplicación • • •

• •

En aguas sucias (bombas con motor sumergible). En instalaciones provisionales, como drenajes de obras. (bombas con motor sumergible). En general en instalaciones donde la entrada del fluido no sea por una conducción a presión, sino Bomba sumergible de voluta atmosférica como captaciones desde una balsa, pozo o canal. Al no requerir cebado, en instalaciones que haya que garantizar un arranque rápido o con frecuentes arranques. Bombeo que requieran alturas medio-altas (5-70 mca) y caudales mediobajos (hasta 2 m3/s).

3.1.3.2.8 Bombas sumergibles de voluta con motor exterior Bombas en las que la parte hidráulica, la voluta se encuentra sumergida, y la parte eléctrica, el motor, permanece en el exterior.

24 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.2.8.1 Ventajas (frente al motor sumergible) • •

Accesibilidad al motor. No requieren el empleo mecánicas.

de

juntas

3.1.3.2.8.2 Desventajas • • • •

Requieren superestructuras, forjado sobre pozo y caseta de combas. El coste total de la instalación considerablemente mayor, incluyendo obra civil. Generan más ruido. Requieren mantenimiento del eje y los cojinetes.

3.1.3.2.8.3 Campo de aplicación •

•

En aguas sucias o instalaciones atmosféricas de captación donde no sea posible instalar una bomba con motor sumergible (p.e.- sistemas de emergencia accionados por motores diesel). En desarenadores-desengrasadores de depuradoras.

Bomba sumergible de voluta con motor exterior

tipos de bomba y campos de aplicación 25

FLYGT

3.1.3.2.9 Bombas sumergibles de voluta con motor sumergido Bombas en las que tanto la parte hidráulica, la voluta, como la parte eléctrica, el motor, se encuentran sumergidas. 3.1.3.2.9.1 Ventajas (frente al motor exterior) • • • • •

Se minimiza la obra civil necesaria al no requerir ni forjados, ni muros de separación ni caseta de bombas. Coste total de la instalación menor, incluyendo la obra civil. Ruido en los bombeos prácticamente inexistente. Elimina el riesgo de inundación en las áreas de bombeo. No necesita ejes largos ni cojinetes.

Bomba sumergible de voluta con motor sumergido Flygt

3.1.3.2.9.2 Desventajas (frente al motor exterior) • •

Requieren un mantenimiento más específico. No permite la inspección visual de los equipos sin elevación de los mismos.

26 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.2.9.3 Campo de aplicación • • • •

En aguas sucias y residuales. En instalaciones provisionales, como drenajes de obras o minería. En general en instalaciones donde la entrada del fluidos no sea por una conducción a presión, sino atmosférica, como captaciones desde una balsa, pozo o canal. Al no requerir cebado, en instalaciones donde haya que garantizar un arranque rápido o con frecuentes arranques.

3.1.3.2.10

Bombas sumergibles de hélice

Bombas en las que la impulsión del fluido tiene lugar dentro de la misma conducción mediante una hélice situada en la misma, el mismo tubo hace de carcasa. El motor puede encontrarse dentro o fuera de la conducción. 3.1.3.2.10.1 Ventajas •

Instalaciones muy sencillas y por tanto muy económicas.

3.1.3.2.10.2 Desventajas •

La parte hidráulica no es fácilmente accesible y requieren desmontar parte de la conducción para su acceso (bombas con motor exterior).

3.1.3.2.10.3 Campo de aplicación • • •

Bombeos de grandes caudales (0,2-5m3/s) y pequeñas alturas (1-11 mca). Grandes captaciones de canales y ríos. Evacuación de pluviales.

3.1.3.2.11

Bombas sumergibles de hélice con motor exterior

Bombas en las que la hélice se encuentra dentro del conducto y el motor fuera del mismo. 3.1.3.2.11.1 Ventajas •

Fácil accesibilidad al motor para mantenimiento.

Bomba sumergible de hélice con motor exterior

tipos de bomba y campos de aplicación 27

FLYGT

3.1.3.2.11.2 Desventajas • • •

Para acceder al impulso, es necesario desmontar la conducción. Posibles pérdidas al exterior por la salida del eje. Requieren al menos un codo en la conducción.

3.1.3.2.11.3 Campo de aplicación Bombeos de grandes caudales (0,2-5m3/s) y pequeñas alturas (1-11 mca) donde son necesarias conducciones metálicas con al menos un cambio de dirección. 3.1.3.2.12

Bombas sumergibles de hélice con motor sumergible

Bombas en las que tanto la hélice como el motor se encuentran sumergidos dentro del conducto. 3.1.3.2.12.1 Ventajas • • •

Instalaciones muy sencillas y por tanto muy económicas. Conductos rectos y cortos. No requieren cámara de bombeo ni ninguna otra infraestructura. No tiene posibilidad de pérdidas ni fugas.

3.1.3.2.12.2 Desventajas •

•

Es necesario sacar el conjunto motobomba para acceder al motor. No permite la inspección visual del mismo. Mantenimiento más especializado.

3.1.3.2.12.3 Campo de aplicación • • • •

Bombeos de grandes caudales (0,25m3/s) y pequeñas alturas (1-11 mca). Captaciones de canales o ríos. Recirculaciones de depuradoras. Evacuación de pluviales.

Ejemplo de bomba sumergible de hélice de Flygt

28 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.3 BOMBAS MONOETAPA Bombas con un solo rodete o impulsor.. 3.1.3.3.1 Ventajas • •

Más sencillas y robustas. Más baratas.

3.1.3.3.2 Desventajas • •

Limitación de presión. Requieren mayor espacio.

Ejemplo de bomba monoetapa de Vogel

3.1.3.3.3 Campo de aplicación • •

En bombeos de presión moderada. En bombeos donde no haya problemas con la velocidad del impulsor (por ejemplo, agua con abrasivos), y la presión deseada se puede proporcionar aumentando el diámetro del rodete o la velocidad del mismo.

3.1.3.4 BOMBAS MULTIETAPA Bombas con varios rodetes o impulsores conectados en serie.

Ejemplo de bomba multietapa de Vogel

3.1.3.4.1 Ventajas • •

Permiten alcanzar presiones mayores. Proporcionan la presión con menor velocidad interna del líquido. Menos desgastes. tipos de bomba y campos de aplicación 29

FLYGT

•

Requieren menor diámetro total.

3.1.3.4.2 Desventajas • •

Más caras. Requieren mayor mantenimiento.

3.1.3.4.3 Campo de aplicación • • •

En bombeos de alta presión. En bombeos con poco espacio (pozo profundo). En bombeos donde haya que limitar la velocidad fluido dentro de la bomba.

3.1.3.4.4 Bombas Multietapa con impulsores seguidos Bombas con sus rodetes conectados en serie orientados en el mismo sentido de modo que la descarga de uno es la aspiración del siguiente. 3.1.3.4.4.1 Ventajas (con respecto a los opuestos) • • • •

Requiere ejes menos largos. Menos pérdidas de líquido y de presión de una fase a la siguiente. Más sencillas constructivamente, por tanto más baratas. Permite módulos acoplables. Más flexibles.

3.1.3.4.4.2 Desventajas (con respecto a los opuestos) •

•

Los empujes axiales generados por las diferencias de presión entre caras de los impulsores se suman, por tanto sus partes mecánicas, sobretodo cojinetes y rodamientos sufren mucho más. Requieren mayor mantenimiento o dispositivos especiales para compensar dichos empujes. La presión en la junta de la última etapa es la más alta. Mayor caudal de fugas, mayor rozamiento y menor rendimiento.

3.1.3.4.4.3 Campo de aplicación En bombas sencillas o de funcionamiento no muy continuo. 3.1.3.4.5 Bombas Multietapa con impulsores opuestos o alternos Bombas con sus rodetes conectados en serie de modo que éstos van variando su orientación y su orden de forma que se compensen los empujes y las etapas de más bajas presiones coincidan con los extremos del eje.

30 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

3.1.3.4.5.1 Ventajas (con respecto a seguidos) • •

Esfuerzos axiales mucho menores, y por tanto menor desgaste de rodamientos y cojinetes y menor mantenimiento. Menores esfuerzos requeridos a los anclajes. Bancadas más sencillas.

3.1.3.4.5.2 Desventajas (con respecto a seguidos) • • •

Ejecución más compleja y por tanto más caras. Requieren mayor longitud del eje. Mayores pérdidas de carga internas.

3.1.3.4.5.3 Campo de aplicación En bombeos de alta presión de responsabilidad y de funcionamiento muy continuo.

3.1.3.5 BOMBAS CON DIFUSOR DE VOLUTA Bombas en las que el fluido evacuado por el impulsor se recoge en un caracol o voluta única. En ésta es donde se transforma la energía en forma de velocidad cedida por impulsor en presión.

Esquema y fotografía de una bomba con difusor de voluta

3.1.3.5.1 Ventajas •

Más sencilla de ejecución y por tanto más baratas.

3.1.3.5.2 Desventajas •

Difíciles de mecanizar y por tanto con malos acabados interiores. tipos de bomba y campos de aplicación 31

FLYGT

• • • •

Peores rendimientos. Gran tamaño, inviables en pozos estrechos. Poco adecuadas para conexión en serie. Presentan fuertes esfuerzos radiales para puntos de servicio distintos al de diseño. Fatigas en el eje y vida menor de los rodamientos. En este sentido a veces se construyen volutas partidas o dobles volutas que disminuyen dichos esfuerzos.

3.1.3.5.3 Campo de aplicación Bombas radiales con caudales moderados.

3.1.3.6 BOMBAS CON DIFUSOR DE ÁLABES DIRECTORES Bombas en las que la canalización del fluido desde el impulsor tiene lugar por una serie de álabes estáticos situados a su alrededor que hacen las veces de voluta múltiple. 3.1.3.6.1 Ventajas • • •

No sufren empujes radiales, mayor vida de rodamientos y eje. Menor tamaño de la voluta, y por tanto de la bomba. Mayor rendimiento.

3.1.3.6.2 Desventajas • • • •

Más complejas de construir, y por tanto más caras. No se pueden recortar los rodetes más de un 5-7%. Menor flexibilidad de uso. Mayores pérdidas a caudales pequeños. La curva Caudal-Altura presenta un máximo, y por tanto tiene zonas de inestabilidad y no pueden trabajar en paralelo.

3.1.3.6.3 Campo de aplicación • •

Bombas axiales y semiaxiales para grandes caudales. Bombas multicelulares.

32

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

4 Tipos de impulsores Como se ha visto hasta ahora, en el impulsor es donde se transforma la energía mecánica cedida por el motor, en energía hidráulica, es decir en un caudal sometido a una presión determinada. Por tanto, se puede decir que el impulsor es el alma de la bomba, y la pieza de la que dependerán directamente conceptos como el rendimiento, la fiabilidad y la necesidad de mantenimiento de la misma.

• •

A mayor diámetro y mayor velocidad del impulsor, mayor es la presión que éste es capaz de proporcionar. A mayor anchura del impulsor Distancia entre la placa base superior e inferior, mayor es el caudal que aporta, y mayor su capacidad para que los sólidos pasen a través de él sin atascarle.

En agua limpia, sin transporte de sólidos, aumentará el rendimiento de un impulsor cuando: • •

Este sea cerrado, es decir, los álabes tengan una tapa superior y otra inferior que impidan las recirculaciones en el interior del impulsor. Cuando mayor sea el número de álabes, reduciéndose de esta manera las recirculaciones entre álabes.

Capítulo 4

Como resumen de las leyes de afinidad hidráulica que se analizarán más adelante, se puede decir que:

Sin embargo, en aguas sucias, y más aun en aguas residuales, el evitar atascos, obstrucciones o pérdidas acusadas de rendimiento como consecuencia del enredo de sólidos en los impulsores, son aspectos mucho más importantes que el rendimiento en sí mismo; por este motivo Flygt ha desarrollado una serie de impulsores especiales, diseñados específicamente para cada aplicación.

Por tanto, en los impulsores para aguas residuales, el reto de diseño es alcanzar ese punto intermedio o de compromiso entre los parámetros que aumentan el rendimiento, rodetes multiálabe, cerrados, estrechos, etc. y los parámetros que minimizan la posibilidad de atascos y permiten el paso de los sólidos: rodetes abiertos o semiabiaertos, con el mayor paso de sólidos posible y por tanto anchos y con uno o dos álabes. tipos de impulsores 33

FLYGT

El diseño del impulsor, dependerá también considerablemente del punto de servicio de la bomba. Por ejemplo, para caudales grandes se requieren impulsores grandes, con mayores anchuras y por tanto con mayor paso de sólidos natural disponible, por lo que para grandes caudales se admitirán diseños con mayor numero de álabes y con placas superiores e inferiores; y como consecuencia con mayores rendimientos hidráulicos. Es en los caudales medianos y pequeños donde se requieren los diseños más especializados. Es en este sentido donde Flygt puede aportar los 40 años de experiencia bombeando líquidos conflictivos, así como el considerable esfuerzo de investigación y desarrollo que se cifra en la consecución de diseños especiales para el bombeo con aguas residuales, como el del impulsor N, que logran aunar dos conceptos, en principio antagónicos, tales como el máximo rendimiento y la mínima posibilidad de atascos y obstrucciones. Impulsor serie N, diseño antiatascos de Flygt

Por tanto, el trabajo con aguas sucias o portantes de sólidos, bien residuales, bien áridos o abrasivos, hace que la correcta elección del impulsor sea uno de las responsabilidades más importantes del proyectista o diseñador de una instalación de bombeo, ya que de ello dependerá la efectividad, la fiabilidad y la durabilidad de la instalación. En la anterior gráfica se muestra como afecta la existencia de sólidos al rendimiento de los distintos tipos de impulsores, y lo importante que es este parámetro en el diseño de los mismos.

R e n d im ie n to e n a g u a lim p ia R e n d im e n to e n p r u e b a

η 80 70 60 50 40 30 20 10 0

M onocanal c e rra d o

B ic a n a l

V o rte x

T o r n illo

M o n o c a n a l C o r ta d o r A n tia ta s c o s a b ie r to

Relación del rendimiento de una bomba con el tipo de impulsor y de agua.

34 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

A continuación mostraremos los distintos tipos de impulsores disponibles, así como sus aplicaciones más adecuadas.

Tipo de Impulsor

Multiálabe- cerrado

Impulsor de alto rendimiento y poco paso de sólidos, adecuado para aguas sin sólidos y con poca probabilidad de atascos, en bombas pequeñas, y para aguas residuales Principales características y con un grado de carga ligero para bombas mayores. Muy campo de aplicación empleado en bombeos de aguas limpias, aguas de aporte, proceso o riego; y para aguas sucias en bombeos grandes con protección de sólidos

Tipo de Impulsor

Multiálabe- semiabierto

Impulsor de rendimiento medio y poco paso de sólidos, adecuado para aguas con abrasivos y con poca Principales características y probabilidad de atascos por fibras o grandes sólidos. Muy campo de aplicación empleados en labores de drenaje en obras y evacuación de infiltraciones.

tipos de impulsores 35

FLYGT

Tipo de Impulsor

Monocanal o bicanal- cerrado

Impulsor de rendimiento medio-alto con gran paso de sólidos, adecuado para aguas residuales desbastadas y Principales características y con un contenido de sólidos moderado. Muy empleado en campo de aplicación pozos de bombeo de residuales con protección de sólidos y en plantas de depuración de aguas.

Tipo de Impulsor

Impulsor vortex

Impulsor multiálabe abierto de inducción. El impulsor no ocupa toda la sección de la voluta, tan sólo la parte superior de ésta liberando de esta forma un gran paso de sólidos y evitando en gran parte que el fluido toque y Principales características y erosione el impulsor; todo ello a costa del rendimiento. Por campo de aplicación tanto, son impulsores de bajo rendimiento y gran paso de sólidos, adecuados para aguas muy cargadas o cuando se quiera proteger el sólido (p.e. transporte de fruta). Muy empleado en industria y pozos de bombeo sin protección

36 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Tipo de Impulsor

Impulsor N autolimpiante

Impulsor semiabierto con sistema antiatascos consistente en una placa base mecanizada en forma de espiral, de Principales características y modo que expulse los sólidos conflictivos. Impulsor de alto campo de aplicación rendimiento y alta efectividad con aguas residuales. Muy empleado pozos de bombeo de residuales y en plantas de depuración de aguas.

Tipo de Impulsor

Impulsor triturador.

Impulsor multiálabe semiabierto con sistema trituración de sólidos consistente en unos álabes cortantes y una placa adecuada a tal fin. Bajo rendimiento y poco paso de Principales características y sólidos. Empleado en sistemas de desagüe presurizados en campo de aplicación usos domésticos. Permite la evacuación de fecales por conducciones de pequeña sección hasta la red general de saneamiento

tipos de impulsores 37

FLYGT

Tipo de Impulsor

Impulsor cortador.

Impulsor biálabe abierto con sistema corte de fibras. Impulsor de bajo rendimiento que corta las fibras largas en Principales características y pequeños fragmentos bombeables. Empleado en el campo de aplicación bombeo de aguas residuales muy cargadas, principalmente purines y fangos agrícolas.

Tipo de Impulsor

Impulsor axial o hélice.

Impulsor axial con tres o cuatro álabes de alto rendimiento para grandes caudales u pequeñas alturas. Empleado para aguas limpias o poco cargadas, no obstante Flygt incorpora un diseño especial para estos impulsores basado Principales características y la curvatura hacia atrás de los álabes y en el mecanizado campo de aplicación de un canal de desahogo en el anillo de desgaste, que permiten minimizan el riesgo de atasco en aplicaciones con aguas sucias. Los principales usos de este impulsor son el abastecimiento de grandes caudales y la evacuación de pluviales e inundaciones.

38 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Además de los distintos tipos de impulsor para los distintos usos posibles, el proyectista o diseñador de la instalación tendrá que prestarle gran atención a la selección del material de los distintos elementos de la bomba, como se detallará en el apartado correspondiente; pero sobre todo deberá seleccionar cuidadosamente el material del impulsor, ya que ésta es la pieza que más en contacto con el fluido a bombear está. Dentro de los distintos materiales especiales para los distintos usos posibles, los más frecuentes son los casos de bombeo de agua de mar, y de aguas con alto contenido de partículas abrasivas, como lodos industriales. En el primer caso, se recomienda el empleo de impulsores en acero inoxidable AISI 904, y en el segundo fundición con alto contenido en cromo.

Impulsor en acero inoxidable AISI 904 para agua de mar

Impulsor en fundición al cromo para bombeo de abrasivos.

tipos de impulsores 39

5 El concepto de la bomba sumergible Flygt En 1947, Sixten Englesson, ingeniero de Flygt, desarrolla la primera bomba sumergible, la bomba B o “de jaula de loro”. Esta unidad, por las numerosas ventajas que presentaba frente a los sistemas convencionales de bombeo, pronto superó todas las previsiones de fabricación y ventas. Comenzó siendo una revolución en aplicaciones de achique en obras de construcción y minas, y una década más tarde, lo fue de nuevo en el campo del bombeo de las aguas residuales con el modelo de bomba C.

Primera bomba sumergible desarrollada por Flygt en 1947, la “Parrot Cage” o Jaula de loro.

Capítulo 5

El concepto de bomba sumergible desarrollado por Flygt, se

resume en el diseño de un equipo de bombeo integrado que minimice la obra civil necesaria y que facilite el mantenimiento al máximo, reduciéndose de ésta manera los costes totales en la vida del sistema de bombeo, incluyendo los costes de explotación.

el concepto de la bomba sumergible Flygt 41

FLYGT

En este sentido, Flygt desarrolla un sistema de acoplamiento automático de las bombas, basado en unas barras-guía, que permite extraer la bomba e introducirla de nuevo sin necesidad de acceder al pozo, y por tanto sin necesidad de vaciarlo.

Esquema de montaje de una bomba sumergible

Desde entonces, el concepto de bomba sumergible se ha impuesto frente a otras soluciones de bombeo convencionales en numerosos campos de aplicación, principalmente en el bombeo de aguas sucias y residuales, en minería y construcción, en acuicultura, agricultura y alimentación, así como en considerables aplicaciones industriales.

5.1 Campos de aplicación de las bombas sumergibles En principio, el campo de aplicación principal de las bombas sumergibles engloba todos aquellos bombeos en que la toma o entrada del agua sea atmosférica, es decir directamente desde el pozo, arqueta, canal o balsa desde la que se quiere impulsar, ya que evitará costosas infraestructuras como se detallará en el siguiente apartado; no obstante, dentro de este vasto espectro, a continuación se enumerarán las aplicaciones en las que es más ventajoso el empleo de las bombas sumergibles. Además de las tomas atmosféricas, las bombas sumergibles pueden trabajar en seco conectándose a una conducción de entrada mediante una brida, haciendo el mismo 42 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

cometido que una bomba convencional o de cámara seca. Estas instalaciones tienen lugar principalmente en zonas potencialmente sumergibles, bien por posibles inundaciones naturales, bien por posibles fallos del sistema. Los campos de aplicación más comunes para las bombas sumergibles son lo siguientes: •

Sistemas de transporte y tratamiento de aguas residuales y pluviales: • • • • • • • • • • •

•

Agricultura, acuicultura e industria. • • • • • • • • •

•

Bombeos desde sótanos y garajes hasta la red de saneamiento. Pequeños pozos de residuales hasta el colector principal. Grandes pozos de bombeo hasta la entrada de la depuradora o emisarios submarinos. Elevación de aguas brutas en EDARs. Bombeos desde tanques de homogeneización o de tormentas. Recirculación de fangos activos en EDARs. Recirculación de fangos digeridos en EDARs. Bombeo de fangos primarios y secundarios hasta digestores o almacenamiento. Bombeos hasta y desde tratamientos terciarios. Evacuación de pluviales a un emisario submarino en zonas costeras. Protección contra inundaciones en general.

Tomas de agua de ríos hasta canales. Trasvase entre canales. Bombeos de alimentación de balsas de riego. Alimentación de agua bruta de piscifactorías. Recirculaciones de oxigenación de piscifactorías. Bombeo y tratamiento de vertidos ganaderos. Bombeo y tratamiento de vertidos industriales. Abastecimiento de agua de proceso industrial. Industria del ocio: Parques acuáticos y grandes acuarios.

Construcción y minería. • • • • • •

Drenajes de filtraciones en obras subterráneas. Achique bajo nivel freático, o bajo el nivel del mar. Achique de emergencia en instalaciones sumergidas. Achique en el avance de una mina. Evacuación de filtraciones entre galerías de una mina. Bombeo de fangos y lodos

el concepto de la bomba sumergible Flygt 43

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44 estaciones de bombeo

FLYGT

el concepto de la bomba sumergible Flygt 45

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46 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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48 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

el concepto de la bomba sumergible Flygt 49

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50 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

estaciones de bombeo

51

FLYGT

52

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

el concepto de la bomba sumergible Flygt 53

FLYGT

El campo de aplicación de una determinada bomba, además de por sus condicionantes de instalación, viene marcado por su punto de servicio, es decir su capacidad de bombear un caudal determinado a una altura dada. Este aspecto se recoge en las curvas de caudal y altura Q-H, que en el caso de familias de bombas, no son curvas, sino superficies que indican todas las combinaciones de puntos de servicio posibles. Por tanto, el campo de aplicación de las bombas sumergibles Flygt, como fabricante con la mayor gama de producción del mercado, se recoge en las siguientes tres gráficas, diferenciando las bombas radiales pequeñas y medianas, las bombas radiales y semiaxiales grandes, y las bombas axiales.

BOMBAS RADIALES MEDIANAS Y PEQUEÑAS

CAMPOS DE APLICACIÓN

54

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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BOMBAS RADIALES Y SEMIAXIALES GRANDES

CAMPOS DE APLICACIÓN

el concepto de la bomba sumergible Flygt 55

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BOMBAS AXIALES

CAMPOS DE APLICACIÓN

56

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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5.2 Formas de instalación de las bombas sumergibles: Las bombas sumergibles admiten numerosas formas de instalación, siendo la más habitual la instalación semipermanente sobre pedestal fijo y elevable mediante dos barras guías (P), que combina las mínimas infraestructuras de obra civil requeridas por una bomba sumergida dentro del mismo pozo de aspiración, con la posibilidad de poder extraerla para mantenimiento o sustitución sin necesidad de vaciarlo, ni de parar el servicio. Este tipo de instalación es la más adecuada en sistemas fijos, como pozos de bombeo de residuales, tratamiento de aguas o procesos agrícolas o industriales. En el caso de aplicaciones eventuales, como drenajes de obras o achiques de emergencia, las formas de instalación más adecuadas son la portátil o transportable (S) con la evacuación a través de una manguera flexible. Existen otras instalaciones alternativas, mucho menos frecuentes que las anteriores (F, H y G)

F

H

P

G

S

Como se vio anteriormente, las bombas sumergibles también pueden trabajar en seco. En estos casos las formas de instalación posibles son dos: horizontal o vertical.

Z el concepto de la bomba sumergible Flygt 57

FLYGT

Todas las anteriores instalaciones se referían a bombas radiales o centrífugas; en el caso de las bombas sumergibles axiales, las formas de instalación son completamente diferentes ya que el mismo sistema de sujeción de la bomba, ya sea de acero o de hormigón, hace de conducto de evacuación del agua bombeada. Para este tipo de bombas, las posibles formas de instalación en función de las características del bombeo, son las siguientes:

Bombeo en tubo de hormigón: el más sencillo y que necesita menos componentes. Adecuado para bombeos con nivel del agua de salida constante.

Bombeo en tubería de acero: consiste en un tubo con aro superior apoyado en la estructura de hormigón. Bajos costes de obra civil. Adecuado para bombeos con nivel de agua de salida constante.

Bombeo entubado con codo y clapeta: Para sistemas cerrados y nivel máximo variable .La válvula de clapeta impide el retorno del agua cuando la bomba no funciona

Bombeo entubado con codo: Para sistemas cerrados y nivel máximo constante.

Bombeo entubado con codo y sifón: El sifón impide el retroceso del agua sin necesidad de ninguna válvula intermedia.

58 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

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5.3 Ventajas de las instalaciones con bombas sumergibles Las principales ventajas que las bombas sumergibles presentan frente a otras soluciones convencionales son las siguientes: 1.

La bomba sumergible no requiere ninguna estructura adicional al pozo, ni forjados ni caseta de bombas, por tanto, disminuye considerablemente los costes totales de la instalación teniendo en cuenta el coste de la obra civil.

Bombas de flujo radial: tradicional de pozo y sumergida

Bombas de flujo axial: tradicional y sumergida

2.

La bomba sumergible permite mayor número de arranques por hora al estar mejor refrigerada; esto a su vez permite disminuciones del volumen de los pozos de bombeo de hasta un 50% con la consiguiente disminución de los costes de obra civil.

3.

Eliminación del problema de los ruidos y el calor producidos por los motores al encontrarse éstos sumergidos y bajo nivel de rasante.

4.

Al tratarse de un equipo compacto, no requiere alineación del eje bombamotor tras su desmontaje, minimizando de esta manera los tiempos de mantenimiento.

5.

Permite el almacenamiento de bombas de refuerzo en almacén y la sustitución de éstas sin parar la instalación de bombeo, minimizando de esta manera el concepto de la bomba sumergible Flygt 59

FLYGT

los tiempos de parada de las estaciones. 6.

No requiere sistemas de refrigeración auxiliares, ya que la bomba trabaja bajo el agua.

7.

No requiere de valvulería de corte antes y después de la bomba, para su aislamiento del sistema en operaciones de mantenimiento. Bastaría con una válvula antirretorno tras la descarga.

8.

Instalaciones inmunes a inundaciones. No es necesario diseñar precauciones contra éstas, ni sistemas de drenaje de emergencia y por tanto la obra civil se abarata.

60 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

6 Descripción general de una bomba 6.1

Apartado eléctrico. Motor

Vamos a dividir una bomba en tres partes bien diferenciadas: • • •

Parte eléctrica Parte hidráulica Acoplamiento entre ambas

El circuito magnético, tanto en su parte estatórica como en el rotor, esta construido de chapas de acero, troqueladas según los casos, y apiladas formando un paquete. La carcasa, que suele ser de fundición, sirve de sostén al paquete de chapa que constituye el núcleo estatórico y sobre ellas se fijan las tapas laterales de cierre del motor, en las que se encuentran los cojinetes que sujetan el rotor. El circuito eléctrico rotórico, se fabrica en dos versiones: • •

Arrollamiento en cortocircuito (JAULA DE ARDILLA). Rotor bobinado (ROTOR DE ANILLOS ROZANTES)

El rotor en jaula de ardilla recibe esta denominación por el inducido cuyo arrollamiento lo constituyen un conjunto de barras de cobre, latón o aluminio, dispuestas sobre la periferia del rotor axialmente, y unidas en cortocircuito sobre las caras laterales del paquete rotórico, por dos anillos del mismo metal, formando físicamente una jaula, de donde recibe el nombre. En pequeñas potencias, los anillos que ponen en cortocircuito los conductores, mediante una forma adecuada, pueden servir de aletas de refrigeración. Para grandes potencias sin embargo, aunque este tipo de construcción sigue siendo válido, las jaulas se

Capítulo 6

6.1.1 Descripción de un motor eléctrico de inducción

Rotor en jaula de ardilla con aletas de refrigeración en los anillos de cortocircuito

descripción general de una bomba 61

FLYGT

construyen más sofisticadas, dando origen a los llamados: “motores de doble jaula” o de “ranura profunda” cuya finalidad es obtener en estas máquinas, condiciones de arranque adecuadas para las potencias en que se mueven.

Anillo de cortocircuito Barras rotóricas Entrehierro

La velocidad del motor en sincronía con la red (velocidad síncrona) es función de la frecuencia de la red y del número de polos del motor:

n = 120 *

frecuencia nº de polos

(en rpm)

El arrollamiento del estator puede tener diversas bobinas o grupos de bobinas introducidas en varias ranuras. La disposición de estas bobinas está directamente ligada con el número de polos del motor. El número de polos es siempre un número par. Un par de polos está formado por un polo norte y un polo sur. Así pues, el número de polos nos indica en un momento la velocidad de un motor determinado.

L1

L2

L3

Sección de un motor de 4 polos

Onda de corriente de un motor de 4 polos

62 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Pero en un motor de inducción, la carga a vencer por el motor, es decir el par resistente, nos crea un desfase entre el campo inductor y el campo inducido, parámetro que denominamos “deslizamiento”. El deslizamiento es función del par resistente. Cuanto mayor es la carga, mayor es el deslizamiento, y como consecuencia menor es la velocidad. En cambio, un motor girando sin carga tiene una velocidad prácticamente de sincronía. Lógicamente, la velocidad de un motor suele ser un indicativo aproximado de su longevidad, es decir, parece claro que cuanto más lento sea un motor menos sufrirá, aunque conviene tener en cuenta que el rendimiento desciende cuando el número de polos es alto.

6.1.2

Esquema del bobinado de un estator

Para poder definir la situación exacta de las bobinas el estator se recurre al denominado diagrama del bobinado. Este diagrama explica el recorrido de los hilos de cobre a través del núcleo ferromagnético, así como su conexión a los seis bornes de la placa U1, W1, V1 y U2, W2, V2.

Diagrama explicativo del bobinado de un estator

Además del propio diagrama, es necesario conocer los siguientes datos: • • • • • •

Número de ranuras del núcleo Número de hilos por ranura Paso de la distribución de las bobinas respecto a las ranuras Número de vueltas Dimensiones de los hilos de cobre Número de circuitos eléctricos por fase descripción general de una bomba 63

FLYGT

Otro dato interesante a la hora de comprobar si el bobinado está correctamente construido, es la resistencia de las bobinas. En el caso de un motor trifásico, si la resistencia de una de las bobinas correspondientes a las tres fases tuviese un valor superior a las otras dos, el motor estaría desequilibrado, observándose un consumo dispar entre las fases si la diferencia en el valor de la resistencia fuese mayor de un 10%, aproximadamente. Si la diferencia fuese de un 5% o 6%, la reactancia sería muy alta pero el consumo apenas variaría. Si el motor estuviese conectado en triángulo y una de las fases se encontrase desequilibrada respecto a las demás, podría aparecer un sobrecalentamiento producido por el efecto del tercer armónico.

6.1.3

Aislamiento de un motor

El estator tiene que estar totalmente aislado del entorno para su correcto funcionamiento. Cualquier derivación a tierra hará que no se produzca esa fuerza electromotriz inducida que hace que el rotor se mueva. Para aislar el estator se recurre a una impregnación del mismo en un tipo especial de barniz o, según la calidad del aislamiento que se busque, en una resina de poliéster. Este impregnado y su posterior secado pueden realizarse de tres formas diferentes: • • • • •

Extendido con brocha y secado con corriente Extendido con brocha y secado en horno Inmersión en baño y secado en horno Inmersión en baño y posterior secado por vacío Impregnación paso a paso lentamente (Trickle)

El secado por vacío ha sido hasta la fecha el método de mejor calidad y fiabilidad en motores para servicio continuo. Pero en los últimos años, la impregnación paso a paso (Trickle) ha obtenido mejores resultados. Se trata de ir impregnando lentamente durante un largo tiempo en todos los puntos, mientras se va girando el estator lentamente.

Bobinados de motor

64 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

La normativa IEC 34.1 (International Electrical Comission) establece una serie de clases térmicas de aislamiento que tienen fundamentalmente la misión de definir: • •

La temperatura máxima del motor (de su aislamiento) El aumento máximo de temperatura que puede tener puntualmente el motor

Estas clases vienen denominadas por una letra concreta, clase A, E, B, F, y H. Son aplicables tanto al hilo de cobre como al barniz o resina. Puede ocurrir que en un mismo motor, el hilo tenga una clase diferente a la del barniz, y suele ser normal que ésta sea una clase térmica superior a la del aislamiento de ese motor en particular. Por ejemplo, un hilo clase H utilizado en un motor clase F.

CLASE

Incremento de temperatura (C) permitido por las bobinas

Temperatura límite (C)

A E B F H

60 75 80 105 125

105 120 130 155 180

El aumento de temperatura de las bobinas se determina por el método de resistencia, midiendo el aumento de la resistencia con la temperatura. El aumento de temperatura se calcula por la siguiente fórmula:

T2 − Ta =

R2 − R1 (235 + T1 ) + T1 − Ta R1

Donde: T2 = Temperatura en ºC de la bobina al final de la prueba T1 = Temperatura en ºC de la bobina en el momento de la medición de resistencia inicial. Ta = Temperatura en ºC del refrigerante al final de la prueba R2 = Resistenacia en Ω de la bobina al final de la prueba R1 = Resistencia en Ω de la bobina a la temperatura T1

descripción general de una bomba 65

FLYGT Clase H Clase F Margen “Hot spot”: 10°C

180°C

155°C

Aumento de temperatura: 105°C

Ambiente: max 40°C

Margen“Hot spot”: 15°C

Aumento de Temperatura: 125°C

Ambiente: max 40°C

En el caso de operación continua, con oscilaciones de tensión de +/-5% o con la temperatura del refrigerante siempre a menos de 30ºC, el aumento de temperatura permitido puede aumentarse en 10ºC. Según esto, existen dos clases de aislamiento que se utilizan normalmente en motores de inducción aplicados a bombas. Estas son aislamiento clase F y clase H. En la figura superior se explican cada una de estas clases. Básicamente, la clase F ha sido la más usual en los últimos años, aunque empieza a aparecer la clase H para alargar la vida útil del motor. En cambio, en el hilo de cobre se viene utilizando en los últimos años la clase C (hasta 230ºC), aunque el motor sea clase H (hasta 180ºC).

6.1.4

Tipos de servicio

Respecto al tipo de servicio, la normativa IEC 34-1 define diferentes tipos de servicio para los cuales se diseñan las máquinas eléctricas: •

S1- Servicio continuo a carga constante de duración suficiente para alcanzar el equilibrio térmico.

•

S2 - Servicio a carga constante durante un corto periodo de tiempo menor que el requerido para alcanzar el equilibrio térmico. Los tiempos normales son 10, 30, 60 o 90 minutos.

•

S3 - Servicio periódico intermitente que define una secuencia de ciclos idénticos, cada uno de los cuales incluye una fase de operación a carga constante y otra fase de un periodo de desenergización. La duración de los ciclos va en función de un porcentaje que puede ser 15, 25, 40, o 60%.

•

S6 - Servicio periódico de operación continua. Una secuencia de ciclos idénticos, cada uno de los cuales incluye una fase de operación continua y otra fase de un periodo de operación en vacío (sin carga). Los factores de carga son los mismos porcentajes que en el caso del tipo S3 .

66 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

6.1.5

Grados de protección ambiental

Un parámetro interesante en todos los equipos que sean objeto de una instalación es el grado de protección ambiental que se requiera para cada caso. Las normas DIN 40050 y el BS 5490, y posteriormente nuestra norma UNE 20324, definen el grado de protección de los envolventes de material eléctrico de baja tensión. La denominación de grado empieza por las letras IP. A continuación, siguen dos o tres letras, según las normas que sean, para definir: • • •

Primera cifra: Protección contra cuerpos sólidos. Segunda cifra: Protección contra líquidos Tercera cifra: Protección mecánica

La tabla que se muestra a continuación recoge todas las posibles denominaciones IP de los grados de protección.

Protección contra sólidos IP Tests

0 1 2 3 4 5 6

Sin protección Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 50 mm. (Ej. Contactos involuntarios de una mano) Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 12 mm. (Ej. Dedos de una mano) Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 2,5 mm. (ej. Herramientas, cables) Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 1 mm. (ej. Herramientas finas, pequeños cables) Protegido contra el polvo (sin sedimentos perjudiciales) Protegido totalmente contra el polvo

Protección contra líquidos IP Tests

0 1

Sin protección

2 3 4 5 6 7 8

Protección mecánica IP Tests

0 1

Sin protección

Protegido contra las caídas de agua hasta 15 de la vertical Protegido contra el agua de lluvia hasta 60 de la vertical Protegido contra proyecciones de agua en todas las direcciones

2

Energía de choque: 0,375 julios

3

Energía de choque: 0,5 julios

Protegido contra el lanzamiento de agua en todas direcciones. Protegido contra el lanzamiento de agua similar a los golpes de mar Protegido contra la inmersión entre un mínimo de 15 cm. (parte alta) y un máximo de 1 metro (parte baja) Protegido contra los efectos prolongados de la inmersión bajo presión

5

Energía de choque: 2 julios.

7

Energía de choque: 6 julios

Protegido contra las caídas verticales de gotas de agua (condensación)

Energía de choque: 0,225 julios

descripción general de una bomba 67

FLYGT

Normalmente y de forma cotidiana, se suelen usar básicamente las dos primeras cifras, de tal forma que un motor comercial para trabajo en exterior puede tener como mínimo un IP 55 (protegido contra el polvo y contra lanzamiento de agua en todas direcciones). En cambio, para una bomba de tipo sumergible la protección será IP 68 (protegida totalmente contra polvo y contra la inmersión bajo presión.)

6.1.6

Conexionado de una motor asíncrono

La conexión eléctrica de un motor con el elemento suministrador de potencia se realiza mediante la placa de bornes.

Conexión del cable de fuerza

Conexión del bobinado del estator

La conexión interior de las bobinas a la parte inferior de la placa de bornes viene a ser de la forma siguiente:

W2

U2

V2

U1

V1

W1

La conexión exterior del motor en su placa de bornes puede realizarse de dos formas, en estrella o en triángulo. En una placa estándar, hay seis bornes en dos filas de tres, siendo una fila para hacer la estrella Conexión de bornes en estrella

W2

U2

V2

U1

V1

W1

R S T Conexión de bornes en triángulo

W2

U2

V2

U1

V1

W1

R

S

T

Conexión de bornes en estrella

68 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

En estrella, la tensión entre fase y neutro es 3 veces menor que la tensión de línea (por ejemplo 380 voltios es la tensión de línea entre fases y 220 es la tensión entre fase y neutro). Si el motor está conectado en estrella y las bobinas de las tres fases tienen la misma resistencia, la corriente por el neutro será nula, al ser esta corriente la suma de las tres. Entonces, podemos quitar el neutro.

220 V

N

L3

380 V

L2

L1+L2+L3=0

220 V

380 V

L1

Si las bobinas del motor son conectadas en triángulo, no existe neutro y la tensión de línea y la de fase son idénticas.

380 V

L1

L3

380 V

L2

Los motores comerciales suelen ser bitensión. Solo en el caso de motores de grandes potencias tienen definida una única tensión. Los motores bitensión pueden conectarse de dos formas, una para cada tensión: 230/400. Si se conecta en estrella sería 400 voltios y en triángulo 230. 400/690. Si se conecta en estrella sería a 690 y en triángulo a 400. descripción general de una bomba 69

FLYGT

Para mantener la misma potencia de motor, la tensión para la conexión en estrella o triángulo está en función de la diferencia en la intensidad consumida. La conexión en estrella proporciona a las bobinas la tensión de fase, mientras que la conexión triángulo proporciona la tensión de línea. Por ello, si la tensión de línea es 400 V y conectamos la bomba en estrella, cada bobina recibirá una tensión de 230 V. Mientras si la conectamos en triángulo, la tensión que recibirá cada bobina será 400 V. El consumo en cada bobina en conexión estrella será la intensidad de fase que es 3 veces menor que la intensidad de línea. Pero si conectamos en triángulo, la intensidad de fase es la misma intensidad de línea. La fórmula de la potencia para una red trifásica es: P=

3

UL IL cos ϕ =

3

UL

3

IF cos ϕ = 3 UL IF cos ϕ

Si la tensión de línea es UL = 400V, mediante la conexión estrella conseguimos que a cada bobina le lleguen 230 V, y el consumo será IL =

6.1.7

3

IF.

Selección correcta de un motor

Los datos de la placa de un motor nos indican los valores óptimos del mismo. Pero es extraño que un motor se use exactamente para esos valores. Cuando un motor eléctrico se sobrecarga, el motor continuará trabajando al mismo tiempo que demanda una corriente mayor. Una corriente mucho mayor que la nominal provoca sobrecalentamientos, reduciendo significativamente la vida del motor. Cuando un motor trabaja con una carga mucho menor que la potencia nominal, se produce muy poco desgaste, pero el rendimiento es pobre con un factor de potencia ridículo. El motor es caro para su uso. La solución más efectiva es siempre tener un motor de una potencia lo más parecido a la nominal. De todas formas, se pueden admitir ciertas desviaciones sin que afecten a la vida o al funcionamiento del motor. La tensión de suministro puede variar en ± 5% de la nominal. En los casos de una tensión muy baja, se permite un aumento de temperatura en el bobinado de 10ºC comparado con la temperatura normal de funcionamiento. Una sobrecarga del 8% puede ser fácilmente soportada sin repercusiones importantes, y un consumo en exceso del 15% es aceptable.

6.1.8

Problemas en un motor de inducción

En cuanto a los problemas que nos podemos encontrar en un motor son básicamente dos: •

Quemado de bobinados de estatores

70 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

•

Desprendimiento de los anillos de cortocircuito

Respecto al quemado de bobinados, las razones pueden ser bien por fallos de corriente, o bien por fallos de tensión. Las altas intensidades por encima de la nominal producen aumentos de temperatura en el bobinado. Esta temperatura no causa normalmente un fallo inmediato. En su lugar, se va destruyendo lentamente el aislamiento hasta que falle pasado un largo tiempo. La foto que se muestra es una estator que ha tenido sobrecorriente en las tres fases. Es pues un fallo simétrico en las tres fases, y se reconoce porque las bobinas de las tres fases están igualmente quemadas (color negro o marrón oscuro), y los mismos cambios de color se encuentran en los extremos superior e inferior de las bobinas.

Quemado de bobinados debido a una sobrecorriente

Este tipo de fallo es causado normalmente por una sobrecarga del motor, que puede ser el resultado de: • • • • • •

Tensión baja Impulsor bloqueado Refrigeración escasa o nula (sistema bloqueado) Fricción excesiva en rodamientos, casquillos, o impulsor Densidad del líquido de bombeo demasiado alta. Temperatura del líquido de bombeo demasiado alta

Otro tipo de fallo es el fallo por corriente asimétrica. Las bobinas de una o dos fases del motor resultan quemadas. El fallo puede ocurrir cuando una de las fases de la red de suministro se desconecta, por ejemplo, un fusible que se funde. El motor continúa trabajando con mayor consumo en las otras dos fases. Puede ocurrir que el motor soporte sin problemas un alto porcentaje de la intensidad nominal del mismo, especialmente porque la potencia nominal del mismo es alta en comparación con el consumo de trabajo, teniendo en cuenta también que los motores se suelen diseñar con un factor de servicio de 1,1 veces la intensidad nominal (un 10% más). En estos casos, si se va una sola fase, puede pasar que el motor no se queme, y descripción general de una bomba

71

FLYGT

hagan falta dos fases para producir el fallo. Este fallo solo ocurre durante el funcionamiento de la bomba, pues un motor parado no es posible arrancarlo en dos fases al carecer de par de arranque suficiente. Las fotos muestran este fallo asimétrico. Una o dos fases están quemadas mostrando un color más oscuro. La apariencia es también diferente si el motor está conectado en estrella o en triángulo. Si el motor está conectado en estrella, las bobinas están conectadas a una fase relevante y al neutro. Esto significa que dos fases continuaran trabajando cuando la tercera falte. Estas dos fases restantes trabajaran con altas corrientes haciendo que la bomba funciones como si estuvieran las tres fases activas. La temperatura en esas dos fases aumenta y se corre el riesgo de quemarse. En el caso de estar conectado en triángulo, cada bobina está conectada a dos fases y cada fase está conectada a dos bobinas. Esto significa que solo una fase continúa su trabajo con un aumento considerable de corriente. En este caso se sobrecalienta solo una bobina. Los dos casos vistos se muestran en esquema y en fotografía, con la suposición de que un fusible se ha fundido.

F Quemada

F Quemada

Color original

Bobinado conectado en estrella. Dos fases quemadas y la otra mantiene e

72

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Y en triángulo, F Color original

F Quemada

Color original

Bobinado conectado en triángulo. Una fase quemada y las otras dos mantienen el color original

Los fallos achacables a la tensión pueden ser causados por: • • •

Sobretensión que produzca un cortocircuito Baja calidad de material aislante. El aislamiento puede disminuir si el motor se sobrecalienta o se sumerge en agua. Fallo en la fabricación o en el rebobinado del estator.

Todos estos casos pueden producir cortocircuitos en una bobina o entre las chapas magnéticas del núcleo. El núcleo ferromagnético puede quedar dañado también por esta causa. Es importante revisarlo para detectar un posible cortocircuito antes de rebobinarlo.

descripción general de una bomba 73

FLYGT

Bobinado dañado por un cortocircuito

Respecto al desprendimiento de los anillos de cortocircuito, un número excesivo de arranques consecutivos del motor puede fatigar por tensiones térmicas la unión entre las barras rotóricas y los anillos de cortocircuito. Las barras de cobre suelen ir soldadas a los anillos de cortocircuito, mientras que las barras de aluminio suelen ir fundidas con estos. Las soldaduras de las barras de cobre son normalmente más sensibles a la fatiga que la unión de las de aluminio. Por ello, el número de arranques permitidos a la hora en un motor con rotor de barras de cobre soldadas es inferior al mismo motor con rotor de barras de aluminio fundidas. Para el rotor con barras de cobre, el número de arranques por hora suele estar en torno a los 6, mientras que para el rotor de barras de aluminio fundidas suele estar entre 12 y 15. Si las tensiones térmicas son considerables, se puede apreciar un tono azul o violeta en la superficie cercana a la grieta. Otra causa que puede originar tensiones térmicas en esta zona es la sobrecarga del motor que puede producir un incremento del deslizamiento. Una rampa de arranque excesivamente larga en un arrancador estático, puede producir también este fenómeno.

6.1.9

Parámetros característicos de un motor Par motor

Respecto al funcionamiento del motor, hablemos de dos parámetros importantes cuyas gráficas definen perfectamente el comportamiento del mismo durante la fase del arranque. Vamos a hablar de PAR MOTOR e INTENSIDAD DE MOTOR.

Nm Par máximo

Par de arranque

Vsíncrona

Par a plena carga

1500

74

rpm

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

En el momento del arranque, el par motor tiene un valor determinado, y sigue la curva pasando por un valor máximo hasta llegar a la velocidad de sincronía (1500), donde empieza a aumentar el deslizamiento a razón de la carga volviendo atrás, hasta llegar al punto de trabajo (plena carga). La intensidad sigue su proceso de variación a medida que transcurre el proceso del arranque. En el instante inicial, el motor requiere una corriente superior varias veces la corriente nominal. El tiempo de arranque no debe ser excesivo para no tener una corriente alta mucho tiempo y así producir sobrecalentamientos que reduzcan significativamente la vida del motor.

6.1.10

I Iarranque

Inominal Vnominal rpm

Refrigeración de motores eléctricos

Con todo lo anteriormente expuesto, nos quedaría ver la forma que existe para mantener que la temperatura del motor sea la adecuada para su aislamiento, es decir, la refrigeración. Según el tipo de motor, la aplicación y la solicitación el mismo, la refrigeración puede ser de diferentes tipos. Para motores comerciales, la típica refrigeración por aletas fijas en la carcasa exterior al mismo tiempo que un ventilador interior que gira solidario al eje-rotor, permite un incremento de temperatura aceptable según norma, para aplicaciones de bombas a una temperatura ambiente normal. Para aplicaciones especiales en las que el motor se encuentre en un recinto cerrado a una temperatura muy alta, se puede recurrir a un sistema de refrigeración forzada exterior. Este sistema exterior también puede venir montado de fábrica con el motor de serie, que es el caso de algunos motores de corriente continua. En las bombas sumergibles, podemos encontrar también diversos sistemas de refrigeración. Hasta una cierta potencia, (entre 10 y 13 Kw) las bombas sumergibles suelen ir refrigeradas por aletas exteriores, ya que los motores más pequeños suelen estar más sobredimensionados Bomba Sumergible de 2,4 kw con aletas exteriores de refrigeración

A partir de esa potencia, se utiliza una refrigeración por camisa exterior, sirviendo la carcasa del estator como superficie intercambiadora de calor. descripción general de una bomba 75

FLYGT

El sistema puede ser de dos tipos. Uno de ellos utiliza el mismo líquido bombeado para refrigerar el motor en circuito abierto (sistema integrado), como es el caso de la figura : Los canales superiores del impulsor bombean parte del caudal hacia la camisa de refrigeración para reducir la temperatura del motor

Tubo de cobre para la evacuación de aire de la cámara de refigeración.

Sistema de refrigeración mediante el mismo agua bombeada en circuito abierto

Este tipo de refrigeración tiene una limitación en velocidad baja puesto que hay que considerar la obtención del caudal mínimo de refrigeración. Por otro lado, cuando se trate de agua residual, existe otro condicionante de velocidad baja para evitar sedimentaciones. Según estas dos condiciones, es aconsejable no bajar la frecuencia del motor de entre 20 y 25 Hz según el modelo. El refrigerante fluye por un circuíto interno gracias a una hélice que gira a la velocidad del eje, y que va solidaria al cartucho de juntas. La zona más crítica es el alojamiento de la junta, donde se ha puesto un difusor. Además se ha instalado una camisa interna con lo cual se hacreado un hueco muy pequeño entre la misma y el alojamiento del estator. Este hueco asegura un caudal turbulento a una velocidad alta, constante, que realiza una mejor evacuación del calor Cam isa interna

D ifusor

Alojam iento junta

Sistema de refrigeración mediante fluido refrigerante en circuito cerrado

El otro tipo de refrigeración por camisa es utilizando un circuito cerrado con un líquido especial, como el que se muestra en la figura anterior. Este líquido puede ser agua con algún aditivo anticongelante y anticorrosivo (como el glicol monopropileno) en 76

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

disolución al 30%. En este caso este mismo líquido puede ser utilizado incluso para refrigerar las juntas mecánicas, en lugar del aceite convencional. Si comparamos los diferentes sistemas de refrigeración que existen para motores en bombas, veremos que este último tiene unas buenas características y tiende a ser una solución más usual en el futuro debido a su escaso consumo. El resultado de la comparación puede verse en la gráfica adjunta. Se utiliza como base una bomba de 15 Kw y se comparan la potencia requerida y las pérdidas del sistema.

0,8 0,7

Potencia requerida

0,6

Pérdidas

0,5

La barra amarilla muestra el consumo de potencia, es decir, el coste de la energía usada. La barra roja muestra la potencia requerida para un sistema específico.

0,4 0,3 0,2

La diferencia será el rendimiento del sistema.

?

0,1

Agua sin aletas

Aletas agua

Aletas con ventilador

Interno con aceite

Interno con agua

Integrado

0

Comparación de los consumos energéticos de los distintos tipos de refrigeración

El consumo de potencia del sistema integrado (líquido bombeado circulando dentro de una camisa) es el necesario para crear una corriente de líquido a través de la camisa. En el sistema interno el líquido es conducido por una bomba de hélice. La potencia requerida es muy baja al no haber una altura de elevación en el sistema. El sistema interno con aceite es aún más eficiente que el sistema integrado, pero el aceite tiene menor conductividad térmica que el agua, lo que necesita un sistema de tamaño mayor. El aceite tiene mayor viscosidad que el agua, y esto aumentará la demanda de potencia del sistema. Por último, se puede usar una refrigeración externa con una bomba auxiliar en casos extremos. El líquido refrigerante tendrá que entrar en la camisa por un lado y salir por otro, usando como posible sujeción de las mangueras flexibles el propio cable de fuerza del motor. Para este sistema es esencial que la camisa no tenga fugas al medio a través de la voluta. Este sistema tiene especial aplicación en los casos de bombeo de agua a altas temperaturas (usos industriales) en los que la capacidad de refrigeración de la misma es muy limitada. descripción general de una bomba 77

FLYGT

Manguera flexible

Codo Racor roscado itti

Tapones para evitar salida del agua de refrigeración hacia la voluta de la bomba Sistema de refrigeración con líquido axial

Actualmente, Flygt ha desarrollado los tres sistemas para poder aportar la solución más adecuada a cada caso de bombeo.

6.1.11

Cables eléctricos

Los cables eléctricos utilizados en los motores pueden ser de diversos tipos atendiendo a diferentes factores. Por ejemplo, el cable para una bomba sumergible tiene unas características determinadas que, para instalaciones convencionales no son necesarias, como son la sumergibilidad (baja absorción de agua), la flexibilidad (alta resistencia mecánica), y la resistencia a la presión en la zona de la entrada de cable a la bomba.

Cable tipo de las bombas Flygt

78

Para calcular la sección de cable de los conductores debemos tener en cuenta que la caída de tensión no supere la reglamentaria y que el calentamiento de los conductores no sea excesivo. Despues del cálculo, se ajustará la sección obtenida a la superior que exista comercialmente. Esta sección comercial se comprobará que la intensidad máxima que atraviesa el conductor no supere al valor máximo reflejado en el Reglamento Electrotécnico de baja tensión

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

En motores monofásicos, la sección se calcula por la fórmula siguiente:

s (mm 2 ) =

2lP 2lI cos ϕ = χuU χu

Donde:

l = Longitud del conductor P = Potencia absorbida de la red I = Intensidad absorbida de la red u = Caida de tensión admisible en la red U = Tensión de la red χ = Conductividad del material conductor, cuyo valor es: 56 siemens m / mm2 para el cobre 35 siemens m / mm2 para el aluminio

Y para motores trifásicos,

s ( mm 2 ) =

lP = χuU

3lI cos ϕ χu

En motores de pequeño y mediano tamaño, se puede calcular de forma rápida un valor aproximado de sección si consideramos una media de 5 A/mm2. En cuanto al Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, se especifica en el capítulo de receptores (motores) que el cable debe estar dimensionado para admitir un 25% más de la tensión nominal. Para las bombas sumergibles, la denominación comercial del cable que se debe utilizar varía dependiendo del fabricante, existiendo una especificación más o menos uniforme que describimos a continuación: • • • •

Capa exterior de goma de cloropreno (CR) Aislamiento del conductor por goma etileno-propileno (EP) Conductores de cobre Tensión máxima para Europa 750 V (IEC 364-5-523)

Flygt ha incorporado también a su producción cables para aplicaciones especiales, tales como: •

Alta resistencia química y alta temperatura. La capa exterior y el aislamiento del conductor suele ser de goma de fluoretileno-propileno, siendo la máxima temperatura que resista el conductor de 150ºC. descripción general de una bomba 79

FLYGT

• •

Muy alta temperatura. En este caso se utiliza un revestimiento de silicona para la capa exterior y el aislamiento. La temperatura máxima admisible para el conductor sería de 180ºC, y la temperatura ambiente máxima exterior sería de 145ºC. Alta tensión. Se pueden encontrar cables para bombas sumergibles de hasta 6KV.

1. Fuerza 2. Tierra 3. Control Sección tipo cable sumergible Flygt

Respecto a los tamaños de cable, existen diversas combinaciones de cables de fuerza y/o control, según el tipo de aplicación. Los cables de fuerza solamente pueden ser de 3 o 4 conductores. Los cables de control solamente pueden tener desde 2 hasta 24 hilos. Y, por último, los cables de fuerza y control suelen llevar 2 hilos de control además de los de fuerza. La denominación de los cables es como sigue: 3xS

Tres hilos de fuerza de la sección S cada conductor

4GS (Ground)

Tres hilos de fuerza y un cuarto hilo para tierra

7xS Siete hilos de control de la sección S cada hilo. La sección de los hilos de control suele ser de 1,5 mm2 4 G S + 2 x S’ Tres conductores de fuerza y tierra de la sección S más dos hilos de control de la sección S’ Para aplicaciones antideflagrantes, el reglamento de baja tensión no especifica claramente si el cable debe de llevar armadura, y ni siquiera especifica la características de como debe ser el cable. Por otro lado, no existe en España un modelo de certificación oficial de cable antideflagrante. El uso de la electrónica de potencia en las instalaciones de bombeo ha impuesto el uso de cables apantallados en los que la malla exterior del conductor puede ser utilizada 80 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

como pantalla o como tierra, si se conectan uno o ambos extremos a tierra, respectivamente.

6.2 Apartado hidráulico. Bomba 6.2.1

Descripción del conjunto hidráulico

En este apartado se tratará de la parte en la que una energía cinética procedente del motor cuya potencia se expresa en un par motor a una determinada velocidad, se transforma en una energía de presión cuya potencia se expresa en la entrega de un caudal a una altura determinada. En una bomba centrífuga, dicha transformación de energía se consigue mediante un elemento denominado impulsor solidario al eje de transmisión de par, y una voluta para recoger redirigir el caudal hacia una salida.

Sección de rodete y voluta

Rodete o impulsor

En una bomba centrífuga de flujo axial, la recogida del caudal y su posterior direccionamiento es el propio tubo en el que se encuentra instalado el impulsor, que en este caso es una hélice.

Carcasa de bomba axial

Impulsor axial o hélice

descripción general de una bomba 81

FLYGT

Para evitar lo más posible las llamadas pérdidas por cortocircuito en el interior de la voluta, se dispone de los llamados anillos de desgaste, que pueden llegar a ser de dos tipos, fijos y giratorios. En las bombas de flujo radial, se puede encontrar un anillo fijo a la voluta que puede ser de goma de nitrilo, bronce, o de un material que se desgaste en mayor grado que el impulsor y así hacer de elemento fungible. Y para proteger el impulsor, se puede montar también un anillo giratorio solidario al impulsor para evitar que se desgaste también el impulsor.

Anillo de desgaste de bomba axial

Para las bombas de flujo axial, se suele utilizar un anillo fijo al interior del tubo. La distancia entre la punta del impulsor y el anillo debe ser comprobada frecuentemente para causar menos pérdidas.

Anillo de desgaste insertado en una bomba axial

Igualmente, el rendimiento de las bombas de flujo radial se ve reducido notablemente si el hueco entre los dos anillos es excesivo.

6.2.2

Características de los impulsores

El rendimiento es mayor en un impulsor de canal cerrado que en uno abierto, y además este rendimiento aumenta con el número de canales. Por otro lado, el NPSH requerido aumenta normalmente si aumenta el caudal, pero también, el NPSH se reduce con el aumento del número de canales en el impulsor, a consecuencia de modificar el parámetro básico de diseño de la bomba, la velocidad específica de succión. 82 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Esta velocidad específica de succión es un número que es función de las revoluciones de la bomba, del caudal, y la inversa del NPSH. Para explicar este parámetro, empecemos antes a definir el número específico de revoluciones, que nace de las propias leyes de semejanza en las que:

Q1 N1  D1  = =  Q2 N 2  D2 

3

2

D  H1  N1   =  1  =  H 2  N2   D2 

2

3

P1  N1   D1   =  = P2  N 2   D2 

5

Si despejamos en primer lugar D1/D2, y sustituyendo el resultado en la expresión de P1/P2, obtendremos una expresión: 1 2

n1P1 H

−5 4 1

1 2 2 2

=nP H

−5 4 2

De esta ecuación tenemos que el producto

1 2

nP H

−5 4

es idéntico para todas las

bombas geométricamente semejantes, con lo que definiremos un parámetro ns que se llamará número específico de revoluciones o velocidad específica, el cual definirá un tipo de hidráulica: 1 2

ns = n P H

−5 4

=

n Q H H

Como la potencia es igual al producto: P = Q*H, entonces: 1

ns =

n *Q2 H

3 4

Y entonces, la velocidad específica de succión será: 1

S=

n *Q2 NPSH

Donde:

3 4

S = Velocidad específica de succión o número específico de revoluciones descripción general de una bomba 83

FLYGT

N = Velocidad de la bomba en rpm Q = Caudal de la bomba en el punto de mejor rendimiento La velocidad específica no es un parámetro adimensional, y por lo tanto ns será distinto según el sistema de unidades que utilizado. Expresando n en rpm, P en CV, y H en m.c.a., el número específico de revoluciones varía entre 35 y 1.800 aproximadamente, y la velocidad específica de succión está en una valor entorno a los 9000.

En las bombas de cámara partida y doble succión, el NPSH se reduce por el hecho de que manteniendo el mismo tipo de hidráulica, se mantiene la velocidad específica de succión, y si dividimos por dos el caudal de entrada (impulsor doble), el NPSH se reducirá según la fórmula vista. Bomba de cámara partida y doble succión

Del mismo modo, si aumentamos el número de canales reducimos la fuerza radial dinámica (Rotating force) sobre el eje, Esto resulta en una disminución del momento flector sobre el eje, y desde un punto de vista de fatiga, garantiza una longevidad mayor. Con un número mayor de canales, conseguimos también hacer que la curva QH se vuelva más plana (menos inclinada) resultando interesante para bombas de gran caudal, obtener un mayor alcance en caudal sacrificando algo de altura, para la misma potencia hidráulica. Un mayor número de canales en el impulsor reduce el número de pulsaciones en su movimiento de rotación respecto de la voluta. Por el contrario, el paso de sólidos se ve disminuido si el número de canales aumenta, y al mismo tiempo, el riesgo de atascos aumenta con el número de canales Impulsor policanal

En el diseño de un impulsor de canal cerrado se deben considerar todos estos factores y sopesarlos, con el fin de obtener un resultado satisfactorio. Por ejemplo, los impulsores más pequeños suelen ser monocanales para garantizar un paso de sólidos lo más grande posible, siendo el resto de factores menos determinantes puesto que las bombas pequeñas suelen estar muy sobredimensionadas mecánicamente. En cambio, en los impulsores grandes se busca un equilibrio entre los diversos factores que afectan.

84 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

6.3 Apartado mecánico. Acoplamiento Nos referimos al acoplamiento de la parte eléctrica (motor) con la parte hidráulica (bomba) que consiste en los apoyos del o de los ejes (cojinetes o rodamientos) y el sellado de todos los elementos (juntas, empaquetaduras, etc.).

6.3.1

Solicitaciones y diseño de ejes

Los ejes son el elemento transmisión del par entre motor y bomba. Según el tipo de bomba podemos encontrar diferentes configuraciones.

En bombas de proceso, verticales, cámara partida, o multietapa, el eje de la bomba se une al eje del motor comercial mediante un acoplamiento.

Ejes de motor e impulsor independientes unidos mediante un acoplamiento

En bombas sumergibles, el. eje es único y va solidario al rotor del motor eléctrico incorporado.

Eje único de motor e impulsor

Los ejes pueden ser de distintos materiales según las solicitaciones de carga y la naturaleza del líquido a bombear. Así pues, podemos encontrar ejes de: • • • •

Acero común ST 52 (A52). Acero al carbono F-113, F-114, etc. Acero aleado F-125, F-127, etc. Acero inoxidable AISI 329, 431, etc.

En el caso de agua con cierto potencial de ataque químico, se debería usar un eje de acero inoxidable. No obstante, no es extraño encontrar ejes de acero al carbono descripción general de una bomba 85

FLYGT

trabajando en aguas con elevada conductividad, cuando dicho eje no está expuesto al medio. Los ejes se diseñan de acuerdo a dos criterios: •

Tensión. En una bomba, el eje recibe cargas radiales y axiales, por lo que los esfuerzos que se consideran son una mezcla de flexión y torsión. Como la flexión es a su vez una combinación de tracción y compresión a ambos lados de la línea neutra, se descarta cualquier material que no aguante bien a tracción. De ahí que un eje no sea nunca de fundición, sino de acero.

•

Fatiga. Se refiere principalmente a la longevidad del eje. Se calcula que el eje para un determinado número de ciclos.

En tensión, se calculan los esfuerzos máximos que puede tener un eje en las peores circunstancias. El resultado se compara con el límite elástico o con la tensión de fluencia del mismo, para así nunca llegar a la zona de deformación permanente. Recordemos brevemente unos conceptos básicos de resistencia de materiales. La tensión que sufre un material al ser sometido a un esfuerzo de tracción o compresión es igual a la fuerza que se le aplica por unidad de superficie. La deformación que se produce al aplicar esta tensión al material la denominamos δ. Y la deformación por unidad de longitud será ε. Así pues:

σ =

F S

ε=

δ l

Si hacemos la gráfica de la tensión producida en función del alrgamiento unitario, obtendríamos lo siguiente:

σ σrotura σúltima Límite elástico

σfluencia Deformación no permanente

α ε 86 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

A la tangente del ángulo α la denominamos E, y es la constante conocida como el módulo de elasticidad de Young:

σ =E ε

Tanα =

(Para el acero es 2*106 Kg/cm2)

Normalmente, un eje en una bomba se diseña según solicitaciones de torsión por el par motor y por el par resistente en las peores circunstancias (frenazo brusco) y según solicitaciones de flexión por tener que soportar cargas radiales elevadas entre el impulsor y la voluta. Así pues, el eje se diseña por tensión:

σ diseño ≤

σ admisible Cf

τ diseño ≤

τ admisible Ct

para esfuerzos de flexión (tracción y compresión)

para esfuerzos de torsión σadmisible = Tensión normal de fluencia del material τadmisible = Tensión cortante de fluencia del material Cf = Coeficiente de seguridad a flexión Ct = Coeficiente de seguridad a torsión

siendo:

La fatiga es el proceso de debilitamiento experimentado por un material como consecuencia de una carga variable que se repite durante un número elevado de veces. En el mecanismo de la fatiga aparecen tres fases: • • •

Nucleación o iniciación de la grieta Propagación de la grieta en los sucesivos ciclos Rotura cuando la sección restante no es capaz de soportar el esfuerzo

La nucleación o comienzo de la grieta suele presentarse relativamente pronto en aquel o aquellos puntos donde aparezcan concentraciones de tensiones o donde existan imperfecciones en el propio material. Cuando los núcleos son inferiores a uno crítico, puede darse el caso de que la grieta no se propague. De este mecanismo se deducen dos características de la rotura por fatiga, dependiendo del nivel de tensión aplicado. • •

La rotura se presenta sin deformación propia La sección de rotura presenta dos zonas bastante diferenciadas

descripción general de una bomba 87

FLYGT Zona de rotura (Grano grueso y brillante)

Nivel de tensión reducido

Zona de fatiga (Grano fino y mate)

Nivel de tensión alto

Secciones típicas de rotura por fatiga

Se diferencian las siguientes zonas: • • •

El área de propagación de la grieta o zona de fatiga, de aspecto mate y grano fino, por el proceso continuo de abrir y cerrar. El área de rotura brusca de aspecto brillante y grano grueso La apariencia de la zona de rotura presenta diferentes formas de acuerdo con el tipo e intensidad de las cargas, así como la magnitud de la concentración de tensiones en la zona en cuestión. La tabla siguiente resume las diferentes posibilidades.

Tracción y compresión cíclica Flexión unilateral cíclica

Flexión bilateral cíclica Flexión simétrica a la rotación Moderada Considerable Moderada Considerable Moderada Considerable sobrecarga sobrecarga sobrecarga sobrecarga sobrecarga sobrecarga cíclica cíclica cíclica cíclica cíclica cíclica

Concentrador débil Concentrador débil local por la periferia 88 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

Concentrador fuerte por la periferia

FLYGT

6.3.2

Problemas en ejes

A continuación se exponen distintas imágenes de rotura de ejes causadas por diferentes motivos Mientras la de la derecha es el resultado de una rotura por fatiga, la de la izquierda fue provocada por un golpeteo externo en sentido radial, rompiendo por tensión.

Roturas por tensión y fatiga

En fatiga, la carga máxima suele considerarse como la mitad de la tensión de rotura en el caso del acero y 0,4 veces en el caso de la fundición de hierro:

σF = (0,4 ÷0,5) σR A esta tensión máxima de fatiga se le unen una serie de coeficientes que influyen en el comportamiento: • • • • •

Tipo de carga: Flexión (Tracción-compresión alternativa), Torsión. Acabado superficial. De mejor a peor: Pulido, rectificado, mecanizado, laminado en caliente, forjado, corrosión en agua dulce, corrosión en agua salada. Tamaño del elemento. La tensión soportada por cada parte del diámetro. Concentración de tensiones. Máxima en cambios de sección, alojamientos de arandelas (cir-clips), etc. Metalurgia del material. La calidad del material en bruto para fabricación es fundamental. Y los tratamientos térmicos como el templado y el revenido pueden añadir defectos, si las temperaturas de tratamiento o bien los tiempos y modos de enfriamiento no son los adecuados.

La fatiga no es siempre un fenómeno lineal. Su variación con el tiempo llega a un punto en el que la tensión de rotura por fatiga no varia con el tiempo. descripción general de una bomba 89

FLYGT

σ 0,9σR

Si no se supera esta tensión cíclica, el eje siempre aguantará

0,5σR

Duración en número de ciclos Variación de la tensión de rotura por fatiga

Hay un determinado número de ciclos de vida correspondiente a una determinada tensión, a partir del cual el eje siempre aguantará. Lo difícil es saber esa tensión para elegir el material, puesto que cuando un eje se rompe por fatiga, suele ser porque recibe unas cargas cíclicas anormalmente altas, y no consideradas a priori. Las vibraciones en una bomba suelen alterar notablemente estas cargas cíclicas produciendo roturas por fatiga. La rotura por tensión es muy inusual en bombas a no ser que tengan un eje extremadamente largo. Suele resentirse antes el propio motor, el chavetero del eje, etc. Pero puede ocurrir que este rompa por acción de un golpeteo externo provocando cargas de rotura por cizallamiento anormales, no consideradas en el cálculo del eje a torsión a través de la τdiseño.

6.3.3

Generalidades de los rodamientos

La disposición y lubricación de los rodamientos varía totalmente según el tipo de bomba. En bombas de proceso, los rodamientos se encuentran en una cámara que normalmente contiene aceite para facilitar una lubricación por barboteo. Entre esta cámara y la voluta hay un espacio libre denominado linterna. En las bombas verticales los rodamientos pueden ir incluidos en el motor (si éste dispone de cojinetes de empuje axial), o bien en una caja de cojinetes aparte (Thrustpot), que es el caso para motores de clasificación V1. En cambio, para bombas sumergibles, el eje de motor e impulsor es común y Posición de los rodamientos en una bomba no los rodamientos se encuentran a sumergible ambos lados del motor. 90 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Los rodamientos se diseñan para un extenso número de aplicaciones, en función de los siguientes parámetros: • •

Condiciones de servicio: carga dinámica, velocidades, temperaturas, disposición del eje, etc. Exigencias de duración (factor Lh), precisión, ruido, lubricación, mantenimiento, montaje y desmontaje, etc. Posición del rodamiento inferior en una bomba sumergible

Las solicitaciones de carga de los rodamientos usados en bombas son de dos tipos: •

Carga radial. Una bomba centrifuga tiene siempre una carga radial por el hecho de impulsar el caudal de forma centrífuga sobre una voluta simétrica. En bombas de flujo axial las cargas radiales son despreciables, salvo en el caso de desequilibrio de uno de los álabes.

•

Carga axial. Se produce siempre un empuje axial en sentido opuesto a la ubicación del motor, el cual es proporcional a la altura de elevación en cada instante y a la superficie del plato superior.

Existen básicamente dos tipos de rodamientos: de bolas y de rodillos. Dentro de estos dos tipos existen muchas configuraciones distintas según el caso. Los rodamientos de bolas absorben solicitaciones medianas de tipo axial y radial. Los rodamientos de rodillos absorben mejor las cargas radiales, a igualdad de tamaño, que los de bolas. En cambio, para cargas axiales importantes se usan rodamientos de bolas de contacto angular. En bombas, se pueden encontrar multitud de disposiciones y combinaciones, incluso montando ambos tipos de rodamientos juntos, según la combinación de esfuerzos a que vaya a ser sometido el eje.

Rodamientos de bolas

descripción general de una bomba 91

FLYGT

En algunos casos, se montan rodamientos con cierta compensación frente a variaciones longitudinales, como los rodamientos de rodillos oscilantes (libres). La lubricación define la vida de los rodamientos. La cantidad de grasa debe ser la justa para lograr una película de lubricación límite. La falta de grasa puede llegar a gripar el rodamiento, pero el exceso de la misma producirá un sobrecalentamiento del rodamiento que reducirá notablemente su vida útil. Existen rodamientos que vienen de fábrica ya preengrasados y estancos para facilitar las labores de montaje y desmontaje. Las bombas sumergibles Flygt emplean varios tipos de engrase de rodamientos con objeto de minimizar su mantenimiento y garantizar su fiabilidad.

6.3.4

Dimensionamiento y selección de rodamientos

Los rodamientos pueden dimensionarse para solicitaciones estáticas y/o solicitaciones dinámicas. Una solicitación estática tiene lugar si el movimiento entre los aros de los rodamientos es nulo o muy lento (n160

14.1.1

Criterio ajustado 18 15 12 10 9 8 7

Cálculo del volumen activo mínimo en pozos con una bomba

Para hallar el volumen activo óptimo para ese tiempo ciclo mínimo, definimos los siguientes términos: Fase de llenado: Fase de vaciado:

TLL =

V Qin

TV =

V Q p − Qin

TC (Qin ) = TLL + TV =

V V + Qin Q p − Qin

Entonces, el tiempo ciclo queda definido por la expresión:

 1  1  Tc = V  + Q  Q Q − p in   in Para hallar el tiempo ciclo mínimo, derivamos esta función respecto del caudal de entrada que es el parámetro que definirá constructivamente el pozo.

 −1  dTc 1  =V 2 + 2  Qin (Q − Q )  dQin p in   dTc Qp 2 = 0 ⇒ Qin2 = (Q p − Qin ) ⇒ Qin = 2 dQin 192 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Por tanto, esta función tiene un mínimo para:

Q in =

Qp 2

⇒ Tc (Q p / 2) = V *

4 Qp

El volumen activo óptimo (mínimo) del pozo queda pues definido por la expresión:

V min = Tc min×

Qp 4

Por tanto, el volumen mínimo o activo de una estación de bombeo con caudal de entrada variable se determina a través de la capacidad de la bomba y del tiempo ciclo mínimo. Normalmente, se calcula el volumen activo de una sola bomba aunque se coloquen dos bombas en el pozo para hacer el sistema redundante. Con esto se quiere indicar que una sola bomba es capaz de hacer el trabajo, aunque puede ocurrir que nuestra aplicación requiera utilizar más de una bomba al mismo tiempo. 600

Tiempo ciclo [s]

500 400

Vmin=Tcmin*Qp/4

300 V=16

200

V=22

100 0 0

100

200

300

400

500

600

Caudal deentrada[l/s] 14.1.2 Cálculo de volumen mínimo en pozos de dos a más bombas En una estación de bombeo con varias bombas idénticas, el volumen requerido es mínimo si, en vez de sumar los volúmenes activos de cada una de las bombas, se sitúan los niveles de arranque y paro de modo que los anteriores volúmenes se solapen entre sí. De este modo, se garantiza el número máximo de arranques por hora para cada bomba y se minimiza el volumen total del pozo. Por tanto la forma de calcular dicho volumen total será determinando el volumen mínimo de una de las bombas con las anteriores expresiones y sumarle los volúmenes diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 193

FLYGT consecuencia del producto ∆H x S, siendo ∆H la diferencia de nivel elegida entre arranques, y S la superficie de diseño del pozo. ∆H deberá ser lo suficientemente grande como para eliminar arranques accidentales de las bombas causados por olas superficiales o falta de precisión en los sensores de nivel. Como norma general debe estar comprendida entre 150 mm. Y 200 mm. Por tanto, bajo esta hipótesis de arranques, el volumen total requerido en un pozo con n bombas y un incremento entre niveles de arranque de ∆H es de:

Vtot = V min + ( n − 1) × ∆H × S En donde S es la superficie del pozo y Vreq es el volumen requerido para una sola bomba. ∆H debería ser lo suficientemente grande para evitar arranques no deseados como consecuencia del alejamiento de la superficie del agua. Aplicando la alternancia cíclica de las bombas, se consigue que en vez de arrancar la primera siempre la misma bomba, lo haga la que lo hizo con mayor anterioridad, de ésta manera, se maximizan los tiempos entre arranque para un equipo determinado obteniéndose una reducción significativa del volumen total de pozo requerido. En este caso, el volumen requerido para una bomba es igual al volumen preciso cuando no hay alternancia dividido por el número total de bombas en el ciclo completo, n. Así, el volumen total del pozo puede determinarse por analogía al caso sin alternancia como:

Vtot.alt =

V min + (n − 1) × ∆H × S n

Los siguientes esquemas muestran como la alternancia en el arranque de las bombas influye directamente en la duración del ciclo de bombeo o ciclo mínimo. Para una estación con tres bombas, las posibles combinaciones de arranque son:

194 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Cada bomba arrancará al cabo de tantos ciclos como bombas haya. En una estación de bombeo con 5 bombas, las combinaciones de arranque con alternancia cíclica se muestran a continuación: 5T1 1 5T = 2 2

T1cycl =

Qin< Qp

T2 cycl

Qp < Qin< 2Qp

T3cycl

5T = 3 3

T4 cycl =

5T4 4

T5cycl = T5

Tkcycl =

Tkc * n k

Vkcycl = Vk *

2Qp < Qin< 3Qp 3Qp < Qin< 4Qp

4Qp < Qin< 5Qp

k n

Además de minimizar los volúmenes requeridos, la alternancia cíclica tiene las siguientes ventajas: •

Utilización plena de las dimensiones mínimas.

•

Reducción de los costes de obra civil.

•

Reducción del tiempo de sedimentaciones, atascos, etc.

•

Permite el cambio de bombas por otras de mayor capacidad sin aumentar el volumen de la estación.

•

Equilibrio en el tiempo de funcionamiento de todas las bombas.

retención,

evitando

olores,

Si una estación de bombeo consta de varias bombas de diferente capacidad, el volumen requerido para cada bomba o grupo de bombas idéntico debe determinarse separadamente. El volumen de pozo requerido combinado dependerá de las exigencias operativas de la estación de bombeo y debe analizarse individualmente en cada caso. Existen otras secuencias de arranque de las bombas menos favorables que requieren mayores volúmenes sin alternancia o sin solape de volúmenes que no se desarrollarán en este capítulo pues se encuentran en claro desuso. Por tanto, se puede concluir que si se opta por la secuencia de arranque de bombas con alternancia y con volúmenes solapados, el volumen mínimo de un pozo de bombeo en función del número de bombas, de la potencia de las mismas y de la superficie elegida es el siguiente:

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 195

FLYGT

Volumen mínimo (de diseño) de un pozo de bombeo:

Vtot. min =

900 × Qp + (n − 1) × ∆H × S n× M

Donde: Q = caudal nominal de una bomba en m3/s M = número máximo de arranques permitido en función de la potencia y del grado de protección elegido según tabla. N = número de bombas S = superficie del pozo en m2 ∆H= Distancia entre niveles (0,15 – 0,2 m.)

14.1.3

Cálculo simplificado del volumen útil de un pozo

Con independencia de las anteriores expresiones, el volumen útil de un pozo de bombeo puede ser diseñado de forma simplificada calculando el volumen mínimo y las dimensiones básicas con las siguientes gráficas y dotándole de los elementos mostrados en la siguiente implantación tipo. Los datos necesarios son: •

El caudal total de la estación de bombeo, y por consiguiente del numero de bombas y el caudal nominal de éstas. Si no se conoce, se puede estimar en función de la población y de la dotación según el anexo “Cálculo de caudales”

•

El numero de arranques horario admitido por el grupo según el siguiente cuadro: POTENCIA (Kw)

N° arranques / hora Criterio conservador

Criterio ajustado

0,5 – 7,5 7,5 – 11 11 – 22 22 – 37 37 – 110 110 – 160 >160

10 8 6 6 6 5 5

18 15 12 10 9 8 7

196 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

CÁLCULO SIMPLIFICADO DEL VOLUMEN ÚTIL DE UN POZO DE BOMBEO 1 Volumen útil (m3)

2 arranques/hora

10

5 aranques/hora

100

15 arranques/hora

10 arranques/hora

1000 1

10

100

Caudal nominal total de bombeo (l/s).

A ltu r a ú til d e p e q u e ñ o s p o z o s c ir c u la r e s 12

D iá m e tro 2 m

V o l u m e n ú t il e n

10

D iá m e tro 1 ,8 m

8 D iá m e tro 1 ,5 m

6

D iá m e tro 1 ,2 m

4

D iá m e tro 1 m

2 0 0

1

2

3

4

A l t u r a ú t i l n e c e s a r ia . diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 197

FLYGT

Mplantación y dotación tipo para pozos de bombeo pequeños

198 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

14.2 Diseño de un pozo de bombeo con bombas sumergibles centrífugas 14.2.1

Principios generales

Lo ideal es que la llegada del agua a las bombas sea uniforme, constante, sin vórtices y sin penetración de aire. La falta de uniformidad puede ocasionar que el funcionamiento del impulsor se aparte de las condiciones ideales y que, por tanto, tenga un menor rendimiento hidráulico. Un caudal inconstante puede causar que fluctúe la carga sobre el impulsor y provocar ruidos, vibraciones e incluso problemas con los rodamientos. Los vórtices en la aspiración de la bomba pueden originar un cambio significativo en las condiciones operativas del equipo, produciendo cambios en su caudal, potencia consumida y rendimiento. También pueden acabar en reducciones de presión en la aspiración que originen la entrada de burbujas de aire. Ésta y otras formas de penetración del aire pueden causar reducciones en el caudal del agua, fluctuaciones en la carga del impulsor, y cargas de impacto local en varias partes del sistema, creando ruidos y vibraciones, con los consiguientes daños físicos. El diseño del pozo no sólo debería ofrecer una afluencia apropiada de líquido a las bombas, sino también impedir la acumulación de sedimentos y costra superficial. Han de tenerse en consideración los siguientes puntos: El caudal de agua en la entrada del pozo deberá dirigirse hacia las aspiraciones de las bombas, de modo que la corriente llegue a ellas sin vórtices y con pérdida de energía mínimas. Para evitar la formación de torbellinos superficiales que permitan la penetración de aire en el pozo, las paredes deberán construirse de modo que se eviten zonas muertas. Un tabique correctamente colocado en la entrada puede reducir la tendencia a la formación de vórtices y torbellinos puntuales. La profundidad del agua deberá ser lo suficientemente grande como para impedir la formación de torbellinos. A pesar de que debería evitarse una turbulencia excesiva, una cierta turbulencia contribuye a impedir la formación de torbellinos y su crecimiento. Los sedimentos, que pueden dar lugares a olores, no deberían acumularse dentro del pozo. Tienen que evitarse las zonas muertas o en las que la velocidad del agua disminuya en un grado tal que pueda ocasionar sedimentación. Un suelo con pendiente y chaflanes o escalones contribuyen a evitar sedimentaciones. La costra superficial, el fango flotante y pequeños residuos pueden acumularse en cualquier zona relativamente tranquila de la superficie del agua.

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 199

FLYGT Los materiales sedimentados y flotantes deberán desalojarse a través de las bombas. Periódicamente, el nivel del agua deberá bajarse al mínimo como operación de limpieza. El tramo entre la entrada del pozo y la aspiración de la bomba deberá ser lo suficientemente largo como para que el aire arrastrado pueda elevarse hasta la superficie antes de que la corriente llegue a la bomba. La energía del agua al entrar deberá disiparse lo suficiente como para que en el pozo no se formen velocidades excesivamente altas e irregulares. Un modo de conseguirlo es haciendo que el agua entrante choque contra algún objeto, como un tabique intermedio. El pozo deberá ser tan pequeño y simple como sea posible, con objeto de reducir al mínimo los costes de construcción, siempre que se garantice que el número de arranques por hora de las bombas no sea superior al especificado por el fabricante.

14.2.2

Diseño estándar de un pozo de bombeo con dos bombas

Éste es un diseño básico de pozo de bombeo desarrollado y ensayado sobre modelos por Flygt, de modo que se puede garantizar que cumple con los condicionantes de diseño anteriormente definidos. La entrada de aire a causa del salto de agua se reduce al mínimo mediante un tabique de partición. La corriente del colector choca y se desliza por el tabique de la cámara de entrada. Ésta tiene salidas en el fondo que limitan el caudal en un cierto grado, dando así tiempo al aire para que se escape. Si a pesar de ello se ha arrastrado aire hasta la cámara de bombeo, ésta se elevará por la cara inferior del suelo inclinado de la cámara de entrada hasta llegar a la superficie libre. Se impide la penetración secundaria de aire en la entrada de la cámara de bombeo debido a que el fondo de la cámara de entrada está ubicado de modo que sus salidas queden siempre por debajo del nivel de agua mínimo de la cámara de bombeo. El tabique de partición frente a la desembocadura del colector es lo suficientemente alto como para asegurar que la corriente no rebose. Las salidas en el fondo de la cámara de entrada están alineadas con las bombas; hay una salida para cada una. Por tanto, la corriente que se acerca a las bombas en la cámara de bombeo está uniformemente distribuida. Esta disposición contribuye a evitar vórtices en la entrada. La bomba está unida a un codo de salida anclado a una placa base mediante un plinto. La base forma una pared detrás de la entrada de la bomba, reduciendo así al mínimo los posibles vórtices formados debajo de la bomba por una afluencia asimétrica del agua. La tubería de descarga vertical está situada cerca de la pared trasera del pozo con el fin de reducir la susceptibilidad de rotación del agua, y de anular cualquier tendencia a la formación de torbellinos detrás de la bomba. 200 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Las dimensiones y equipamiento mínimo recomendados para el pozo estándar de Flygt son las siguientes: Dimensiones: Dimensiones en cm. de la cámara de bombeo Población P 21 41 61 81 101 151 201 251 301 351 401 501 601 701 801 901 1001 1501 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A aª A a

40 60 80 100 150 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

a 40 40 75 75 75 75 75 100 95 95 112 150 150 150 150 150 190 225 300 300 375 375 375 375 375 375

b

c

50 50 100 100 100 100 100 125 125 125 150 200 200 200 200 200 250 300 400 400 500 500 500 500 500 500

75 75 150 150 150 150 150 190 190 190 225 300 300 300 300 300 375 450 600 600 750 750 750 750 750 750

d 100 100 200 200 200 200 200 250 250 250 300 400 400 400 400 400 500 600 800 800 1000 1000 1000 1000 1000 1000

e 50 50 50 50 50 50 50 35 45 60 50 35 40 45 50 55 55 50 130 130 45 55 65 75 80 90

f

g 70 70 20 20 20 20 20 10 15 20 15 10 15 15 15 20 20 15 20 20 15 20 20 25 25 30

50 110 55 55 70 100 135 10 30 175 155 100 120 140 160 170 165 150 170 170 140 165 190 220 245 275

Caudal Q de cada bomba en l/s 0,15 0,31 0,61 0,76 0,76 1,15 1,53 1,91 2,30 3 3,82 4,60 5,35 6,12 6,90 7,65 11,46 15,30 22,92 30,60 38,20 45,85 53,50 61,15 68,80 76,40

E = separación de la cámara de rotura según los gráficos del siguiente apartado. e= nivel de alarma f = nivel de marcha 2 g = nivel de marcha 1 Equipamiento mínimo: • • •

Recinto de hormigón armado de resistencia característica 175 kg/cm2 y acero AE-42 Tapas rectangulares de 60x80 cm. De chapa de acero estriada de 0,5 cm de espesor, previstas de enganches para la cadena de izado de la bomba. Válvula de retención a la salida de cada bomba, dispuesta en la tubería de acero galvanizado. diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 201

FLYGT

•

• •

Cuadro eléctrico en el puesto de control, provisto de alarma acústica y visual de parada e interruptores de arranque y parada para cada bomba. Funcionamiento alternativo automático mediante interruptores de nivel, susceptible de regulación manual. Tubo conectado con el exterior para ventilación del recinto. Válvula de compuerta en arqueta de fábrica de ladrillo macizo R-100 kg/cm2 de 25 cm de espesor, dispuesta sobre solera de 15 cm de espesor de hormigón en masa de resistencia característica 125 kg cm3, enfoscada y bruñida interiormente.

14.2.3

Diseños alternativos

En modelos a escala y en instalaciones prototipo a tamaño natural se han ensayado muchas variantes del pozo estándar antes descrito. Las dimensiones básicas del pozo se indican con las letras A hasta la F en las figuras 4,5 6, y dependen de la descarga diseñada para la bomba. Las dimensiones recomendadas en este diagrama son óptimas para el caudal especificado, y se han comprobado en la práctica. Cualquier divergencia de estas recomendaciones que pueda incrementar la velocidad de la corriente puede conducir a que se formen torbellinos y a la penetración del aire. Por el contrario, unas velocidades demasiado bajas pueden causar sedimentación. La única cota que puede incrementarse de una forma segura es A, la longitud de acceso a la bomba. Los índices “min.” y “max.” mostrados con las dimensiones indican, respectivamente, la falta de tolerancias para ulteriores reducciones o aumentos en dichas dimensiones. Notas 1.- Dimensión B: la separación entre las volutas de las bombas deberá ser de 200 mm. Como máximo. 2.- Dimensión C: la separación entre la pared lateral y la voluta de la bomba deberá ser de 100 mm. Como mínimo. 3.- Dimensión F: la profundidad mínima del agua en la cámara de bombeo, es decir, el nivel de parada de la última bomba, no deberá ser inferior a la cota F; asimismo, el nivel no deberá ser inferior al extremo superior de la voluta de la bomba. También deberán satisfacerse las condiciones NPSH (capacidad de aspiración neta positiva) requerido por la bomba. 4.- Todas las cotas para ubicar la bomba y la conexión de descarga en relación con el fondo del pozo deberán ser facilitadas por el fabricante de la bomba.

202 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

:

bombas sumergibles y estaciones de bombeo

203

FLYGT

14.2.3.1

POZO CON CONDUCTO DE ENTRADA ELEVADO

Hay dos formas de disposición alternativa: cuando la entrada está elevada, dependiendo de la posición del colector, que denominaremos entrada frontal, y la entrada lateral. Entrada frontal – El diseño de esta forma de instalación puede usarse para una sola bomba o para los sistemas más usuales, que tienen varias bombas. Ocupa un espacio mínimo y es la base de instalaciones más complejas.

Entrada lateral – Este diseño de pozo, es para las desembocaduras del colector situadas a un lado del pozo. Debido a que la cámara de entrada debe tener espacio para el conducto del colector, deberá ser aproximadamente un 25% más ancha que el diámetro del conducto. La altura del tabique de partición debería ser como mínimo ¾ del diámetro del colector. En otro caso, el pozo es idéntico al descrito en la entrada frontal.

204 diseño y dimensionamiento de pozos de bombeo

FLYGT

14.2.3.2

POZO CON CONDUCTO DE ENTRADA BAJO

En esta forma de instalación, el colector, o bien se encuentra por debajo del nivel de agua normal en el pozo, o el pozo es abastecido mediante un canal abierto. Si no hay un salto de agua en la corriente entrante, no se produce una penetración intensa de aire. En consecuencia la cámara de entrada puede simplificarse mucho debido a que su única función es distribuir uniformemente el caudal a las bombas. También aquí se distingue entre entrada frontal y lateral. Entrada frontal - Si el tubo de entrada a la estación está situado frontalmente, no se necesita una cámara de entrada dividida. De todas maneras, la corriente de agua tiene que distribuirse uniformemente a todas las bombas mediante una transición en forma de difusor. La cámara de bombeo es igual que antes. En algunos casos, el líquido se distribuye mejor con particiones entre las bombas o un tabique transversal con aberturas a un nivel bajo.

Entrada lateral – En la siguiente figura se muestra el conducto de entrada en el fondo del pozo. La cámara de entrada está constituida solamente por el tabique vertical de partición. Las aberturas de descarga en el tabique de partición están situadas cerca del fondo del pozo. El extremo superior del tabique de partición o parte del mismo deberá estar por debajo del nivel de arranque más alto de cualquiera de las bombas, para permitir el transporte de material flotante hasta la cámara de bombeo.

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 205

FLYGT

14.2.3.3

DISEÑOS ALTERNATIVOS

Los principios de diseño del pozo estándar rectangular pueden servir de base para el desarrollo de instalaciones alternativas. La longitud precisa para la disposición de pozo básica cuando el número de bombas es superior a seis puede presentar problemas. En tales casos puede ser más apropiado un pozo doble, como el que se muestra en las siguientes figuras.

206 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Otra alternativa al diseño del pozo cuadrado clásico, es el pozo circular, especialmente interesante en pozos grandes y profundos, ya que estructuralmente los muros circulares son mucho más resistentes, y por tanto apropiados para tales casos. En la siguiente figura se muestra una disposición especial, con la cámara de entrada frente a las bombas.

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 207

FLYGT

15.3 Diseño de pozos de bombeo con bombas sumergibles axiales 15.3.1

Criterios generales

De los diversos tipos de bombas, las bombas de hélice son las más sensibles a las condiciones de entrada del agua. En teoría, el agua, a la entrada de la bomba debe ser uniforme y continua, sin turbulencias, vórtices ni entradas de aire. •

Un flujo no equilibrado en la toma de la bomba puede reducir su eficacia, ocasionar cargas irregulares sobre las palas de la hélice y también ruido y vibraciones. Un flujo discontinuo también pude producir cargas irregulares, ruido y vibraciones.

•

Las turbulencias de la entrada pueden modificar en forma adversa la carga, flujo, eficacia y potencia. También puede aumentar la posibilidad de vórtices, que a su vez ocasionan discontinuidad de flujo y pueden producir ruido, vibraciones y cavitación. Los vórtices que se originan en una superficie libre pueden alcanzar potencia suficiente para arrastrar aire y sólidos flotantes hasta el interior de la bomba.

•

La entrada de aire puede reducir el caudal y el rendimiento, vibración y el consecuente daño físico.

Las condiciones de flujo en la entrada de la bomba se establecen en la zona contigua a la entrada. Existen tres zonas de importancia: entrada, cámara de aspiración y pozo. Entrada - La función de la entrada es hacer llegar agua a la estación de bombeo a partir de una fuente de suministro tal como una alcantarilla, un canal o un río. Por lo general, la entrada cuenta con una arqueta común y una compuerta. En general, la entrada debe ser perpendicular a la línea de bombas y debe estar situada simétricamente con respecto a las mismas. La velocidad de entrada no debe exceder los 1,2 m/s. Cámara de aspiración – la función de esta cámara consiste en llevar el flujo hasta el pozo o pozos, de modo tal que resulte continuo y uniforme. Si bien este apartado no puede incluir todas las posibilidades de disposición de una cámara de aspiración, las siguientes recomendaciones pueden servir de orientación. •

La transferencia al pozo, ya sea de modo divergente, convergente o con un giro, siempre debe tener como consecuencia un flujo uniforme a la entrada de la bomba. Se deben evitar las pendientes que den mayor velocidad y las separaciones en las capas de agua que van por los laterales.

208 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

•

No se debe permitir la interferencia de obstáculos que generen vórtices en la zona contigua a la entrada de la bomba.

•

Se debe evitar la entrada de aire.

Pozo – en la práctica, solo se puede estandarizar el diseño del pozo para un cierto tipo de bomba dada. Las dimensiones del pozo se determinan en función del tamaño de la bomba y de su caudal. Un pozo bien diseñado es indispensable para la correcta aspiración de las bombas. No obstante, el solo contar con un adecuado diseño para el pozo no garantiza lograr las correctas condiciones de flujo. Una mala entrada al pozo puede perturbar el flujo del mismo y la aspiración de la bomba.

15.3.2

Diseños estándar de estaciones de bombeo axiales

15.3.2.1

CON TUBO DE HORMIGÓN

En este modelo de diseño, la bomba se asienta sobre un cilindro de hormigón. El soporte de la bomba está formado por un tubo corto embebido en el hormigón. De esta forma alternativa, el pozo puede contar con una sección transversal rectangular por encima del tubo de la bomba. El extremo superior del conducto supera el máximo nivel del canal de salida, a fin de evitar que el agua retroceda hacia el pozo cuando la bomba se para. Este sistema resulta adecuado para los casos en que el líquido se bombea a un punto de descarga con un nivel de agua casi constante.

15.3.2.2

Con tubo de hormigón

CON TUBO DE ACERO DE

DESCARGA LIBRE

Este sistema consiste en un tubo de acero apoyado sobre la estructura de soporte. El tubo también puede apoyarse en el fondo mediante un trípode o una placa divisora inferior. El extremo superior del tubo debe situarse por encima del máximo nivel de agua en grado suficiente para evitar su retorno. Con tubo de acero de descarga libre

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 209

FLYGT

15.3.2.3

CON TUBO DE ACERO Y CODO

DE DESCARGA

Con tubo de acero y codo de descarga

El codo utilizado en esta instalación permite la descarga en un conducto cerrado con una superficie de agua libre. Por lo demás es similar a los casos anteriores. Si la tapa empleada en la parte superior del tubo de la bomba es abierta, se la debe colocar a una altura suficiente para evitar los reboses. Una solución alternativa consiste en usar una tapa hermética. Si el nivel de agua en la salida varía considerablemente, pudiendo ésta quedar sumergida en algunas ocasiones, se debe instalar una válvula para evitar el retorno.

Con tubo de acero y válvula antirretorno

15.3.2.4

CON TUBO DE ACERO Y VÁLVULA ANTIRETORNO

Esta aplicación incluye un codo de descarga, ya sea abierto en la parte superior o equipado con una tapa. El acceso a la bomba es fácil y rápido. El codo de descarga debe colocarse a una altura suficiente que supere las pérdidas de carga en el ramal de salida y en la válvula antirretorno, para cuando el nivel de agua en el canal de descarga cubra la salida. Como alternativa se puede utilizar una tapa hermética. 210 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

15.3.2.5

CON TUBO DE ACERO Y SIFÓN

Con tubo de acero y sifón

15.3.3

Si la bomba trabaja en combinación con un sifón, resulta eficaz el uso de un codo de descarga, con tapa hermética y parte curva desmontable, que proporciona un rápido acceso a las bombas. Un sifón en una línea de descarga requiere el uso de una válvula de ruptura de sifón que permita la entrada de aire cuando se detiene la bomba.

Configuración y dimensiones recomendadas

Las dimensiones para pozos aquí recomendadas se basan en los resultados de pruebas con modelos a escala reducida y a tamaño natural de las bombas Flygt, realizados con el fin de estudiar el comportamiento de las bombas de hélice en función del tamaño del pozo y la profundidad del agua. El objetivo fue la máxima reducción de ambos sin perjudicar la eficiente y segura operación de la bomba. En las dimensiones del pozo se aceptan tolerancias del 10%, siempre que el efecto combinado de tales diferencias no resulte en velocidades significativamente superiores a las obtenidas con el pozo estándar. El principio básico de diseño se basa en utilizar un pozo independiente para cada bomba, individualmente diseñado para los diversos modelos de bombas y condiciones de operación. Un pozo para varias bombas siempre consta de varias cámaras independientes. Las tres variantes básicas recomendadas para el pozo son las siguientes: • • •

Configuración A: pozo abierto estándar. Configuración B: toma compacta cerrada Configuración C: toma cerrada tipo tubo de aspiración.

La importancia del flujo en la zona contigua a la entrada varía en los tres casos: la configuración A precisa un flujo de entrada casi uniforme y una mayor profundidad o sumergencia, mientras que la configuración C es la menos exigente en ambos aspectos.

Configuración A-1 Es la más sencilla de construir y, por lo tanto, a menudo es la primera alternativa considerada. Sin embargo, dado que requiere una mayor sumergencia y diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 211

FLYGT

posiblemente una zona de canal de entrada más prolongada que las otras dos configuraciones, el costo total de una estación diseñada para la configuración A puede ser superior al de las otras dos opciones.

La variante básica de la configuración A indicada como A-1, es la menos eficaz para controlar la falta de uniformidad en el flujo que se aproxima a la bomba. En consecuencia, normalmente sólo se recomienda para instalaciones con condiciones óptimas de canal de entrada, tales como las que se dan en una estación con una sola bomba y canal, y canal de entrada recta.

Para las estaciones con varias bombas en las que se dan diversas condiciones de operación, son preferibles las configuraciones A-2 y A-3. Ambas incluyen dispositivos tales como separadores o placas divisorias para aliviar los efectos de pequeñas asimetrías en el flujo de entrada. Para las bombas de baja elevación, la 212 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

configuración A-1 no se recomienda en ningún caso. En un pozo abierto como el de la configuración A, la sumergencia mínima necesaria para la entrada a la bomba es una función del caudal, el diámetro de la entrada de la bomba, y la distribución del flujo en la aproximación, Flygt proporcionará ese dato para cada caso de diseño.

Configuración B Es una toma cerrada cuya forma ha sido adaptada para construirse en hormigón. Las características geométricas y el asiento de la pared posterior, han sido diseñados para permitir una suave aceleración y giro del flujo en su entrada a la bomba. Dado que este tipo de configuración es menos propensa a los vórtices de la superficie, la sumergencia requerida a la entrada es menor que en la configuración A. No obstante, no deberá ser menor que 1,5 D.

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 213

FLYGT

Configuración C Es una toma de tipo tubo de aspiración – también conocida con el nombre de toma por succión forzada - y está diseñada para construirse tanto en acero como en hormigón. La toma puede reducir la falta de uniformidad y las turbulencias en el flujo de aproximación. Esta toma resulta más eficaz que la configuración B debido a que la pared delantera inclinada está diseñada para prevenir el estancamiento del flujo de la superficie. Las características geométricas de esta toma proporcionan una suave aceleración y giro a media que el agua llega a la bomba. La sumergencia mínima de la entrada no debe ser inferior a 1D.

Nota para todas las configuraciones: En algunos casos, la sumergencia mínima de la entrada a la bomba indicada en las tablas resulta insuficiente para satisfacer las exigencias del NPSH. Por lo tanto, el proyectista deberá realizar esta comprobación aparte.

15.3.4

Estaciones con varias bombas

Las estaciones de bombeo generalmente están equipadas con dos o más bombas. Los sistemas con bombas múltiples ofrecen una mayor capacidad, mayor flexibilidad de operación y mayor fiabilidad. Este tipo de estación debe diseñarse sobre la base de módulos de pozos individuales.

214 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Dado que el flujo de entrada de cada módulo debe presentar la mayor uniformidad posible, el diseño de la cámara de entrada que alimenta los módulos individuales es de suma importancia, y debe seguir las pautas recomendadas. Las tomas de tipo tubo de aspiración son las que resultan menos sensibles a la falta de uniformidad en el flujo de aproximación, que siempre se produce en los pozos de bombas múltiples. Esta falta de uniformidad puede deberse a un flujo divergente o rotativo en la cámara anterior, o la operación de una sola bomba con carga parcial. Por lo tanto la configuración tipo C casi siempre es la elección preferida. Dado que la configuración A es la más sensible a la aproximación no uniforme, ésta precisa una cámara de entrada más prolongada y paredes divisorias de mayor extensión entre los pozos individuales que las configuraciones B o C. Si se utiliza la configuración A para más de tres bombas, la longitud de la pared divisoria debe ser de por lo menos 2/3 del ancho total del pozo. Si se produce retención de flujo cerca de la entrada del pozo, debido a la presencia de rejas o compuertas, la longitud del pozo debe aumentarse – a 6D o más – dependiendo del grado de retención. Como se muestra en la gráfica de la siguiente página, dos son las configuraciones típicas de bombas múltiples que comúnmente se encuentran: la entrada frontal por el centro del pozo (disposición preferida), y la entrada lateral a la línea media del pozo. Entrada frontal - La entrada debe situarse en posición simétrica respecto de las bombas. Si el ancho de la entrada es inferior al ancho total de los pozos, la cámara debe tener una divergencia simétrica. El ángulo de divergencia no debe exceder los 40° para la configuración B o la C. Para la configuración A, el ángulo total de divergencia no debe superar los 20°. La pendiente en la base de la cámara de entrada debe ser inferior a 10°. Si no se cumplen estos criterios, se deben utilizar paredes divisorias o deflectores para mejorar la distribución del flujo. Entrada lateral - Si el flujo de entrada es lateral y perpendicular al eje del pozo (paralelo a la línea de bombas), una cámara tranquilizadora puede ayudar a redistribuir el flujo en la forma indicada en el dibujo. En la cámara se produce una sustancial pérdida de carga necesaria para disipar la mayor parte de la fuerza cinética del flujo de entrada. Como alternativa se pueden utilizar sistemas de deflectores para reorientar el flujo, pero esto hace necesaria la producción de modelos a escala reducida a fin de determinar la correcta forma, posición y orientación de los deflectores. La distancia entre el pozo y la cámara o los deflectores debe ser suficiente para permitir que se disipen los remolinos y que escape el aire retenido antes de que el agua llegue a la entrada de la bomba. La experiencia de los diseños que ya se encuentran en uso proporciona valiosos datos para el diseño de nuevas estaciones múltiples de bombeo. La adaptación de diseños existentes y totalmente probados a menudo puede brindar soluciones a problemas complejos sin siquiera tener que recurrir a modelos a escala reducida. Flygt cuenta con amplia experiencia basada en muchos proyectos de éxito. diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 215

FLYGT

Esquema de entrada lateral y entrada simétrica respectivamente.

216 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

15.4 Efectos nocivos en los bombeos y elementos correctores 15.4.1

Entrada de aire

Por lo general, el agua limpia o residual suele llevar aire debido a diversos factores que en algunos casos resulta difícil evitar. Por esta razón, y puesto que no es fácil evitar entradas parciales de aire, la idea es eliminar la máxima cantidad de aire posible antes de llegar a la bomba, de una forma progresiva y en determinadas zonas del recorrido. Por ejemplo, los vertederos con cascadas producen burbujas de aire durante el choque con la lámina de agua inferior. La cantidad de aire depende de la contundencia del choque, que es función de la altura de salto “e” y del caudal. El alcance “S” dependerá de la velocidad Ve.

S = ve ( 2e / g ) 0,5 de = 0,75 dc La forma de eliminar este aire parcialmente consiste en colocar una barrera que divida de el pozo en las proximidades del canal de entrada y permita el paso del agua solo en la parte dc sumergida a una determinada profundidad. El aire quedaría e frenado en la parte de la cascada evitándose su paso a la siguiente etapa. El muro que S hace de barrera se colocará a una distancia algo menor al Dimensionado de un salto de agua alcance S. Se produce con esto, una disipación de la energía al mismo tiempo que una disipación de la aireación producida.

E

Ejemplo de barrera antiburbujas en un canal de pruebas de Flygt

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 217

FLYGT

Los canales de reparto en sus cambios de dirección pueden verse afectados por la barrera, dependiendo de la velocidad del fluido. Por tanto habrá que tenerlo en cuenta en el diseño.

15.4.2

Distribución de velocidad no uniforme

La distribución de velocidad de la masa de agua debe mantenerse lo más uniforme posible a lo largo del recorrido. Se debe evitar cualquier situación que puede conducir a cambios de velocidad puntuales y locales, o bien tratar de reconducir el agua a una velocidad homogénea.

α

α

M in

α

α

M ax

Ejemplos de canales de entrada a pozo con distintos tipos de barrera antiburbujas y direccionadoras de flujo

La pérdida de contacto de la masa de agua con las paredes circundantes produce un efecto de flujo negativo en esas zonas. En el caso de agua limpia, este efecto debe corregirse justo en ese preciso momento para mantener la distribución de velocidades homogénea, si bien no tiene ninguna otra consecuencia.

Ejemplos de flujos negativos y zonas muertas 218 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

En el caso de agua residual, este flujo negativo produce sedimentaciones puntuales que a la postre serán fuente de olores, infecciones, etc. No debemos olvidar nunca que en agua residual, el agua es el medio para llevar todo aquello que queremos tratar a posteriori. Y todo lo que el agua residual lleva consigo debe ser conducido hasta su destino.

15.4.3

Prerrotaciones

El efecto causado por las prerrotaciones del líquido en su entrada a la aspiración de la bomba tiene manifestaciones diversas dependiendo de la magnitud de dicha prerrotación así como de su sentido de giro. Para explicar este fenómeno vamos a recordar algunos conceptos de mecánica de fluidos aplicados a máquinas hidráulicas. Las bombas centrífugas se rigen por la ecuación de EULER que relaciona la situación cinética del fluido a la entrada y a la salida del rodete o impulsor de la siguiente manera:

H=

c2 w2

u2 w1

c1 u1

(Cu 2 × U 2 − C u 2 × U 1 )

r1 r2

g Ui = ω i r

Se define a continuación el triángulo de velocidades a la entrada de la bomba. En condiciones normales sin prerrotaciones de ningún tipo, el triángulo sería el siguiente:

C1 Velocidad absoluta del fluido

W1: Velocidad relativa del fluido 90°= α1

U1: Velocidad periférica del rodete Como indicamos anteriormente, no solo hay que analizar la contundencia de la prerrotación o la inercia de la masa hidráulica antes de tocar el impulsor. También el sentido de giro de dicha prerrotación puede afectar de diferente forma y los resultados son totalmente opuestos. diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 219

FLYGT

Establecemos dos tipos de prerrotación equivalentes a los dos sentidos de giro. Partiendo de la base de que la bomba gira en una determinada dirección, llamaremos CORROTACION a la prerrotación girando en ese mismo sentido, y CONTRARROTACION a la prerrotación que se aproxima al impulsor de la bomba girando en sentido contrario. Entonces, el triángulo de velocidades a la entrada de la bomba quedará modificado según sea corrotación o contrarrotación. C1

C1

W0

W1 θ0

α1

α1 C U1

Cu 1

U1

W1 U1

Corrotación

Contrarrotación

Q < Q0 H < H0

Q > Q0 H > H0 P

El incremento de altura que produce la prerrotación sobre la salida de la bomba es función de la velocidad axial del fluido, de la velocidad angular del mismo y del ángulo de prerrotación a la entrada de la bomba. Este ángulo puede ser

∆H

Va . ω p .r .tg θ

=

ωp

2.g r

Va positivo o negativo según se trate de corrotación o de contrarrotación. La consecuencia directa de la prerrotación es una altura ∆H que se adiciona o se resta según sea el caso. Donde:

Va = Velocidad del caudal a la entrada ωp = Velocidad angular del impulsor r = Radio interior del paso del impulsor g = Aceleración de la gravedad θ = Angulo de prerrotación

220 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

El efecto sobre la curva Caudal-Altura (Q-H) característica de una bomba lo podemos ver en la gráfica siguiente en la que se estudia el caso de tener una ángulo de prerrotación de +/-10º . La curva Q-H se desplaza paralelamente hacia arriba o hacia abajo según sea contrarrotación o corrotación, respectivamente.

25

- 10 º

24 + 10 º H (m)

23 22 21 20 800

850

900 Q (l/s)

950

1000

Efecto de las prerrotaciones en la curva característica Q-H

La corrotación produce una falta notable de efectividad de la curva, haciendo parecer incluso que se trata de otra bomba. La contrarrotación asimismo produce un alto consumo en el motor al mismo tiempo que puede producir vibraciones y formación de burbujas. Un ángulo de prerrotación θ admisible sería entre 2º y 3º. Al final, la ∆H no debe superar el 1% de la altura total de trabajo. En el caso de que lo supere, conviene utilizar dispositivos antirrotación; como pequeñas placas verticales situadas debajo de la entrada de la bomba o en la boca de ésta que redireccionen el flujo hacia el impulsor.

15.4.4

Vorticidad

Otra fuente de perturbaciones para el correcto funcionamiento de las bombas son los vórtices que se producen en un pozo de bombeo. En numerosos ensayos y pruebas llevados a cabo en los laboratorios de Flygt, se han definido seis tipos distintos de vórtices superficiales, los cuales enumeramos a continuación, en función de su intensidad.

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 221

FLYGT

Vórtice superficial

Vórtice por interacción

• Tipo 1 – Movimiento superficial y bajo superficie. Hoyuelo apenas detectable. • Tipo 2 – Hoyuelo superficial bien definido. Núcleo giratorio difuso. • Tipo 3 – Núcleo más desarrollado, organizado y definido a través de toda la columna de agua. • Tipo 4 – Aspiración de flotantes. Núcleo e aire parcial en la superficie • Tipo 5 – Núcleo de aire intermitente o burbujas de vapor en el núcleo. • Tipo 6 – núcleo de aire plenamente desarrollado. Los vórtices superficiales resultan perjudiciales cuando su núcleo es lo suficientemente fuerte como para introducir aire e inducir fuerzas fluctuantes en el impulsor, causando vibraciones y un funcionamiento adverso. Por otro lado, existen otros tipos de vórtices no superficiales y difícilmente detectables que hay que tener en cuenta seriamente cara al diseño del pozo de bombeo.

El oleaje que pueda haber en el pozo, y por pequeño que sea, produce entrada de aire durante el choque de la lámina de agua con la pared. El mismo efecto aunque sumergible produce el denominado vórtice de pared. Los vórtices de suelo pueden tener su origen en el movimiento de masas sedimentadas por efecto de la succión de la bomba, aunque es difícil conocer su verdadero origen. A diferencia de los vórtices superficiales, la presión en un vórtice sumergible puede caer por debajo de la presión atmosférica y tener una repercusión de mayor importancia sobre la bomba Vórtice de suelo

El vórtice por interacción se produce por la proximidad de dos bombas funcionando al mismo tiempo. Por esto se debe respetar las distancias de seguridad recomendadas.

222 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Los vórtices superficiales como los sumergibles no preocupan en exceso si el núcleo y su giro asociado se van disipando antes de alcanzar la brida de la bomba. En instalaciones entubadas de bombas de flujo axial, en las cuales se bombean caudales considerables, los vórtices pueden aparecer de la siguiente manera:

Vórtices superficiales

Vórtices asimétricos

15.4.5

Vórtices sumergibles

Sedimentaciones y flotantes

Respecto a las sedimentaciones, la velocidad debe ser suficiente para transportar las arenas o posibles residuos, evitando bancos de sedimentos en el pozo. Los flotantes tales como trapos, bayetas, escombros, etc., acumulados en la superficie forman balsas de material aumentando el riesgo de atascos en el impulsor en operaciones de vaciado. Los pozos deben diseñarse para evitar velocidades lo suficientemente bajas que generen sedimentaciones y poseer los elementos necesarios para minimizar la aparición de flotantes.

Experimento de eliminación de sedimentaciones en un pozo de pruebas Flygt

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 223

FLYGT

15.4.6

Cámara tranquilizadora

En el momento en el que el agua llega al pozo de bombeo, hay que tratar de que el agua se aproxime a las bombas sin prerrotaciones, a velocidad uniforme y con la mínima cantidad de aire posible. De aquí nace el concepto de cámara tranquilizadora. El agua debe ser tranquilizada después de una entrada del colector en cascada (muro de contención), se debe eliminar el aire contenido (tabique sumergido), y debe ser distribuido hacia las bombas de forma uniforme y equitativa (ventanas inferiores). E Nmax

Nmin D

F

8 to 10°

Cámara tranquilizadora en un pozo de pruebas Flygt

15.4.7

Elementos correctores

En ocasiones, tal vez debido a limitaciones en el espacio, instalación de bombas nuevas en estaciones viejas, o condiciones difíciles de entrada a la bomba, no se pueden satisfacer todos los requisitos de diseño simple y correcto descritos hasta el momento. En estos casos el pozo puede ser dotado de alguna de las mejoras que se muestran a continuación. Por lo general, la turbulencia alrededor del tubo de la bomba se produce a causa de una distribución asimétrica de la velocidad en el flujo de aproximación. Es preciso hallar la forma de mejorar esta simetría. La subdivisión del flujo de entrada mediante paredes divisorias, y la introducción de paredes de orientación, deflectores o de resistencia al flujo son algunas de las opciones para lograrlo. En forma alternativa, una reducción de la velocidad de flujo, por ejemplo, mediante el incremento de la profundidad de agua en el pozo, puede ayudar a minimizar los efectos negativos de la aproximación asimétrica. Las asimetrías relativamente pequeñas en el flujo pueden corregirse mediante la inserción de placas separadoras entre el tubo de la bomba y la pared trasera del 224 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

pozo, y sobre el fondo, por debajo de la bomba. Estas placas impiden la turbulencia alrededor del tubo y evitan la formación de vórtices próximos a las paredes. Estas medidas están incorporadas en la mayoría de nuestras configuraciones estándar. Los vórtices con entrada de aire pueden formarse tanto en la entrada de la bomba como aguas arriba de la misma. Se forman en la entrada si la velocidad de entrada es demasiado alta o si la profundidad del agua es demasiado baja; y se forman aguas arriba si la velocidad es demasiado reducida. En cualquiera de estos casos los vórtices pueden eliminarse mediante la introducción de turbulencia adicional en el flujo de superficie colocando, por ejemplo, una vigueta transversal o deflector en la superficie del agua. Dicha vigueta debe penetrar en el agua hasta una profundidad equivalente a un cuarto del diámetro del tubo, y debe colocarse en un punto que se encuentra entre 1,5 y 2 diámetros aguas arriba del tubo. Si el nivel de agua varía considerablemente, una plancha flotante resulta más eficaz. En algunos casos, una plancha flotante aguas arriba del tubo, elimina los vórtices con entrada de aire. Esta plancha puede ser una placa o una rejilla. Ambas versiones impiden la formación de vórtices de superficie. Otra alternativa consiste en el uso de una placa inclinada semejante a la ilustrada en la configuración de pozo C. Placas separadoras para pared trasera y de fondo

Placas para bloquear la turbulencia

Torbellino de pared trasera sólo provocado por un separador de fondo Deflector de superficie para la eliminación de vórtices

Placa o rejilla flotante para eliminar vórtices

diseño y dimensionamiento de un pozo de bombeo 225

FLYGT

Los vórtices sumergidos pueden formarse casi en cualquier parte dentro del pozo, y a menudo resultan difíciles de detectar desde el exterior. Su existencia solo puede evidenciarse a través del funcionamiento defectuoso de la bomba o e la erosión de las palas de la hélice. Se pueden detectar con mucha más facilidad en modelos a escala reducida, y se pueden eliminar si se impide la formación de puntos de estancamiento en el flujo. El sistema de flujo, puede ser alterado, por ejemplo, mediante la adición de un cono central, o un separador con forma de prisma debajo de la bomba, o mediante cantos y chaflanes entre las paredes lindantes, tal como en algunas de las configuraciones estándar sugeridas.

226 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

15 Depósitos de Retención. Funcionamiento y Control Introducción

En algunos casos, la entrada de agua en un proceso, como por ejemplo una EDAR, o depuradora de aguas residuales, ha de ser con un caudal constante y de forma lo más homogénea posible; sin embargo, las entradas desde la red de colectores raramente son tan homogéneas, y mucho menos en situaciones singulares como tormentas o vertidos incontrolados puntuales. En esos casos, es necesario dotar al sistema de una balsa o depósito de retención que hará las veces de pozo de entrada; pero con algunas singularidades que requerirán un diseño especial. El diseño de los depósitos de retención habrá de cumplir tres objetivos: • •

•

Tener un volumen tal que permita el almacenamiento del caudal deseado. Estar dotado de los elementos suficientes que impidan la sedimentación y almacenamiento de los sólidos en suspensión que el agua transporta evitando así olores indeseables. Estar dotado de los elementos o sistemas que permitan la autolimpieza de las balsas una vez que éstas han quedado vacías.

Capítulo 15

15.1

Para cumplir el primer objetivo, se calcula el volumen de la balsa restando al caudal de entrada previsto el máximo de salida que admite la depuradora (o el proceso posterior), y multiplicando la diferencia por el tiempo que se ha estimado de sobrecaudal. Como este sobrecaudal será variable en función del tiempo, en realidad, para obtener el volumen total sería necesario integrar dicha función, pero se puede simplificar el cálculo dividiendo el sobrecaudal en tramos temporales y sumándolos a continuación

depósitos de retención. Funcionamiento y control 227

FLYGT

En el caso más habitual, el sobrecaudal suele ser recogido por la red de pluviales, o colectores, debidos a tormentas; y por tanto se determina multiplicando el índice pluviométrico máximo de la zona por la cuenca de recogida y corrigiéndolo con el coeficiente de escorrentía; que tendrá en cuenta el tiempo que esa agua tarda en llegar hasta la balsa, en función de la distancia y de la rugosidad o características del terreno y las conducciones. Para cumplir el segundo objetivo, evitar problemas de olores y sedimentaciones indeseadas, al depósito de retención se le ha de dotar de elementos mecánicos que, por un lado remuevan el agua, dificultando la sedimentación, que introduzcan aire, minimizando de esta manera los efectos anaeróbicos causantes de los malos olores y que permitan el lavado o limpieza de los pozos una vez que han cumplido su misión. A continuación procederemos a la descripción de dichos equipos, así como a la enumeración de funciones que han de cumplir a través de las pertinentes secuencias de programación.

Depósito de retención con sistema de autolimpieza

Existen dos puntos clave a la hora de realizar un depósito de retención autolimpiante. El funcionamiento óptimo y correcto del depósito dependerá de estos dos puntos: • •

Elección correcta de equipos, tanto en lo referente a potencia como en lo referente a configuración, para la geometría deseada. Sistema de control.

La elección errónea de equipos y configuración puede llevar a depósitos que no limpien de forma correcta, y que tengan un gasto energético importante.

228 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Un control mal hecho del sistema conllevara reboses más contaminantes de los deseados, e insuficiencia de parámetros para la correcta gestión y parametrización del sistema.

15.2

Sistemas de Control

Los siguientes puntos son los que Flygt considera como necesarios dentro de un sistema de control para poder llevar a cabo de forma correcta, no solo el proceso de limpieza, sino todo el mantenimiento de los equipos y de los depósitos de retención. 1.- Acceso a todos los parámetros de funcionamiento de la instalación directamente in-situ, sin necesidad de accesorios externos como pueden ser ordenadores portátiles. Los parámetros a controlar deben ser, entre otros: • • • •

• • •

• • • • • • •

Registro de alarmas acaecidas en el sistema, como mínimo las últimas 900, epecificándose en cada una la fecha y hora de incidencia. Niveles existentes en cada una de las instalaciones en cada momento. Niveles de arranque y parada de cada uno de los equipos y de los distintos protocolos que puedan necesitarse para el correcto funcionamiento del sistema. Niveles de alarma, especificándose al menos dos niveles de alarma por nivel alto, y dos niveles por nivel bajo. De la misma forma, cada uno de estos niveles deberá conllevar distintas actuaciones por parte del ordenador industrial FMC que lo controle. Valores de ajuste de la calibración de cada uno de los sensores de nivel. Histéresis de alarmas de nivel para evitar una repetición continua de alarmas por un mismo fenómeno. Consumo en amperios de cada una de las bombas, así como la posibilidad de parametrizar que valores deben dar una alarma de consumo elevado, y que valores deben dar una alarma por consumo bajo, así como las actuaciones que debe realizar el sistema de control ante tales casos. En el caso de alarma por un consumo bajo se deberá poder detener la bomba durante un tiempo x (parametrizable in-situ) antes de volver a intentar ponerla en marcha. Tiempos mínimos entre arranques de equipos (protección tanto de la red como de los propios equipos). Posibilidad de definir un rango de arranque aleatorio para evitar la formación de incrustaciones en las paredes del sistema. Bloque automático entre distintos equipos. Alarmas de prueba. Definición de intervalos de servicio de los equipos. Dar un nombre distinto e identificativo a cada una de las estaciones remotas.

depósitos de retención. Funcionamiento y control 229

FLYGT

2.- Disponer de sinóptico frontal que permita al operario distinguir: • • •

Si han ocurrido alarmas. Además deberá poder saber si una alarma activa ha sido visualizada por otro operario o no. Conocer el estado en el que se encuentra el sistema controlado. Conocer el estado en el que se encuentra la unidad de control, si está pendiente de la transmisión de alarmas y como se encuentra a nivel de conexión con los modems.

3.- El sistema debe estar preparado para poder sustituir de forma rápida cualquier equipo averiado y poner en marcha el sustituto de forma automática. Esto incluye tanto a las unidades remotas como al puesto central de información. Para ello el sistema deberá almacenar todos los datos de funcionamiento directamente en las estaciones remotas, así como en el puesto central, siendo posible descargar los datos de forma bidireccional según considere oportuno el explotador. 4.- Las unidades remotas deberán disponer de memoria interna dividida en las siguientes tres secciones. El propósito de dicha memoria será el de asegurar que los datos históricos y los parámetros de funcionamiento no se pierdan en el caso de un fallo del puesto central (debe ser capaz de almacenar los datos como mínimo una semana): •

• • • • • • •

Parámetros de funcionamiento (descritos en el punto 1) y todos los datos concernientes con la monitorización del sistema. La unidad remota deberá poder almacenar de forma local al menos los siguientes datos con una resolución mínima de cada cinco minutos: Niveles existentes en la instalación. Corriente consumida por cada uno de los equipos. Valores analógicos como niveles de oxigeno. Duraciones de reboses. Números de rebose. Alarmas: Las ultimas 900 alarmas como mínimo, dentro de un registro separado, con los datos enumerados en el punto 1. Reboses, su número, duración y si la geometría final lo permite, su volumen calculado de forma automática sin necesidad de caudalímetros. Esta sección debe de ser realizada a prueba de arranques en frío de las unidades.

Para realizar correctamente todo esto, cada estación remota debe de contar con al menos 7 Mega bytes de memoria interna. 5.- Enviar mensajes de alarma SMS a los operarios con las siguientes particularidades: • •

Se deben poder identificar áreas operativas por si existen distintos explotadores para distintas áreas. Se deben poder implementar horarios de operarios para cada área operativa con el fin de enviar el mensaje siempre a la persona que esté de guardia en el momento de la incidencia.

230 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

• •

•

Especificar prioridades de alarma de tal forma que algunas no sean transmitidas por SMS sino que simplemente queden reflejadas en el puesto central. Incluir en el mensaje el nombre de la estación, el nombre del equipo (si este procede), un texto explicativo de la alarma acaecida y la hora real en la cual ésta ha ocurrido. Obligar al operario a dar una llamada perdida al sistema con el fin de que éste sepa que el operario ha recibido la alarma. Si transcurrido un tiempo el operario no realiza esta llamada, el sistema repetirá de nuevo el mensaje. Si después de varios intentos no ha recibido la llamada perdida, entonces el sistema deberá ser capaz de coger a otro operario de una lista y realizar la misma operación con el, y así sucesivamente hasta con diez operarios distintos.

6.- Realizar informes (en html), gráficos y permitir tener una visión en tiempo real de las unidades y del estado general del sistema. • •

Debe ser sencillo comparar la información proveniente de distintas estaciones remotas en un mismo informe / gráfico. El sistema debe permitir filtrar las alarmas y sacar listados de días concretos, por código de alarma y por prioridades, así como de poder ver en cualquier momento las alarmas que estén activas.

7.- La puesta en marcha del puesto central debe de ser sencilla y no requerir ningun especialista para su realización. La instalación de una estación remota debe realizarse con responder simplemente 7 preguntas distintas, permitiendo así a un cliente poner en marcha un sistema averiado sin necesidad de ayuda externa. 8.- Disponer de una autonomía suficiente en el suministro de energía como para poder transmitir alarmas cuando ocurra un fallo en la alimentación, ya sea en la zona de control como en la zona de potencia, y tener ambas posibilidades contempladas a la hora de realizar la programación. 9.- Disponer de sistemas alternativos de funcionamiento en caso de un fallo del sistema de control automático. Por simplicidad de la instalación, todo lo concerniente a las estaciones remotas, debe poder ejecutarse directamente desde un solo ordenador actuando como puesto central, permitiendo así la sustitución inmediata de los equipos en caso de avería.

depósitos de retención. Funcionamiento y control 231

FLYGT

15.3

Secuencia de procesos:

Flygt dispone de una amplia experiencia en el tema del control de depósitos de retención. Solamente en Holanda más de 1.200 intalaciones avalan la profesionalidad de la compañía. El proceso que propone Flygt permite la limpieza de todo el sistema sin necesidad de ningun tipo de aportación de agua limpia o pretratada. Se usa la propia agua que ha sido almacenada como agente de limpieza. A continuación se describe la secuencia del proceso de limpieza tal y como lo realiza Flygt A.B. a nivel mundial,

15.3.1 Proceso de retención Durante el proceso de retención, ningun equipo susceptible de causar una alteración en el proceso de sedimentación debe de ser activado. El objetivo de esta medida radica principalmente en conseguir que cualquier rebose que pueda ocurrir debido a un llenado total del sistema de retención, contenga el menor numero de contaminantes posibles. Por lo tanto, mientras el sistema detecte que en el colector principal existe un nivel excesivo, todos los equipos estarán bloqueados.

15.3.2 Proceso de limpieza El objetivo final del sistema propuesto es el de no requerir ningun tipo de acción humana dentro del proceso de limpieza, así como conseguir una limpieza total de los depositos (paredes y suelo) sin ningun tipo de elemento mecánico móvil, y sin ningun tipo de aportación de agua limpia o pretratada. A la misma vez, se trata de alimentar a la EDAR con agua lo más mezclada posible en terminos de contaminantes en suspensión, evitando así picos de agua extremadamente contaminada, picos que son muy perjudiciales para el proceso biológico de la depuradora. Para ello, el proceso de limpieza ha de llevarse a cabo con la utilización de unos equipos de propulsión de agua cuya finalidad es crear corrientes que produzcan un efecto de barrido dentro de los depositos. Los más adecuados se describen a continuación: FLO JET DE LIMPIEZA AIRE / AGUA: Se distingue del Flo-Jet de oxigenación en la forma de la tobera y la relación de mezcla agua aire conseguida. Está especificamente desarollado para este tipo de procesos. 232 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

Flo Jet aire/agua

FLYGT

El modo de funcionamiento consiste en crear un chorro de agua turbulento que logra incrementar la distancia de proyección del agua en un ratio de 1/2 comparado con lo que sería un proceso de impulsión normal y corriente, cnsiguiendo así una reducción drástica del tamaño de la bomba requerida así como del consumo energético. FLO JET DE LIMPIEZA AGUA /AGUA: Se diferencia del flo-jet aire /agua en que no succiona agua sino que causa la turbulencia requerida en el proceso de limpieza a traves de mezclar el agua a velocidades distintas de una forma muy parecida a como se realizan estos procesos en los aviones de reacción. La utilización de un equipo u otro esta sujeto a las dimensiones de los depósitos a limpiar. La elección incorrecta de este tipo de equipo Flo Jet de limpieza agua/agua provocaría la aparición de corrientes de agua que impidiesen la limpieza del deposito. Flygt ha desarollado métodos basados en su propia experiencia para el cálculo de que equipos son necesarios, y cuales deben de ser sus puntos de instalación. El proceso de limpieza de un depósito de retención se divide a su vez en tres fases independientes, según se describe en las siguientes páginas.

PROCESO DE LIMPIEZA: FASE I MOVIMIENTO GENERAL DE LA MASA DE AGUA Una vez que el sistema detecta que ya no existe peligro de rebose en el colector principal, pone en marcha los flo jets. En este momento, los equipos no funcionan de forma continua, sino que se realizan pulsos de quince minutos de duración con quince minutos de pausa. El objetivo principal de este proceso es el de poner en movimiento toda la masa de agua, y remezclar los sedimentos que puedan existir en el fondo.Con ello se persiguen dos objetivos principales:

depósitos de retención. Funcionamiento y control 233

FLYGT

Esquema de funcionamiento de un Flo Jet agua/agua

•

Remover todo lo sedimentado con el fin de que en el momento en el que se comienze con el achique, el agua que vaya a la depuradora sea lo más homogenea posible, evitando así picos importantes de contaminación que afectarían de forma sensible la zona del biológico de la depuradora.

•

La limpieza de las paredes. Al poner en movimiento la masa de agua, se impide la adhesión de residuos a las paredes del depósito.

En el caso del uso flo-jets con mezcla aire / agua se consigue además una oxigenación de la masa de agua lo suficientemente importante como para evitar el comienzo del proceso anaerobico, y por lo tanto los malos olores que se derivan de tal proceso. Este proceso dura hasta que se alcanza la cota de comienzo de la fase II que se describe a continuación y que pone en marcha de forma constante los equipos de limpieza. Asimismo, durante esta primera fase, si el sistema dispone de unos flo jets de oxigenación, estos se pondran en marcha en función de los niveles de oxigeno obtenidos a traves de medidores de oxigeno. Sin embargo estos flo-jets no podran sustituir a los flojets de limpieza en lo referente al movimiento de la masa de agua puesto que no tienen un empuje equiparable. 234 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

15.3.3 Proceso de limpieza: FASE II Empuje de solidos en el suelo Una vez alcanzada por el sistema de achique una cota específica (determinada por Flygt), el sistema pondra en marcha las unidades de forma permanente creando las corrientes descritas en los siguientes diagramas. El objetivo principal de estas mismas es el de conseguír arrastrar hacia la zona de desaguë, situada donde esta el flo-jet el mayor número posible de solidos gruesos que puedan haber quedado en el suelo. En esta sección del proceso, lo que se logra es la limpieza del final del deposito de retención, así como de sus esquinas. El proceso de achique continua, pero está regulado de tal forma que se pueda detener en un momento dado si no se estuviese obteniendo una limpieza eficaz de estas zonas. Observamos que comparado con la siguiente sección, el alcanze del chorro de limpieza es mucho mayor. Esto se debe a que como todavía hay agua en el deposito, las corrientes creadas por el flo-jet “deslizan” sobre la cota existente permitiendolas llegar hasta el final del depósito. En la siguiente fase, donde el nivel de agua en el depósito es bastante inferior, la proyección de agua es menor, pero esto se debe al proceso físico descrito, y no a ningun tipo de variación del motor de la bomba, ni a ningun tipo de variador de frecuencia.

15.3.4 Proceso de limpieza: FASE III proceso de barrido de los solidos. Aquí la cota de agua es sensiblemente inferior a la cota de agua en la FASE II. En esta fase se produce un efecto de barrido, donde el agua impulsada hacia delante y que está retornando empuja el chorro de agua saliente del flo-jet de un lado al otro tal y como se puede ver en el siguiente diagrama:

Movimiento final del agua impulsada

El efecto sería parecido al de un operario con una manguera moviendo el chorro de lado a lado, pero sin la necesidad de ningun tipo de elemento móvil para realizarlo. Esta fase final asegura la limpieza final correcta de todo el deposito de retención. depósitos de retención. Funcionamiento y control 235

FLYGT

15.3.5 Proceso de limpieza de los conductos que llevan el agua hasta el pozo de bombeo, o en tuberías utilizadas como secciones de retención Para los casos donde nos encontremos ante situaciones de tuberías, o colectores que participan en el proceso de retención, pero que no sean parte de los mismos, existe el riesgo de tener un movimiento insuficiente de agua para levantar los sedimentos del fondo. Muchas veces, estas secciones no son accesibles ni siquiera para el propio personal de mantenimiento. El problema con estas zonas es que no está asegurado que con la pendiente de 1.5 % todos los residuos pesados, que suelen ser los ultimos en ser arrastrados, sean efectivamente arrastrados hasta el pozo de bombeo o la salida del sistema. Para ello Flygt propone una solución simple, y a la misma vez eficaz. Los procesos de limpieza son iguales a los anteriores con las mismas ventajas, pero el sistema varía ligeramente .

Ejemplo de sección de conducción empleada como depósito de retención. Sistema de limpieza recomendado por Flygt

En los canales de retención se suele acumular sedimentación ya que no suele haber suficiente velocidad para poner en suspensión los sólidos. La solución radica en coger agua desde el punto más bajo y bombearla al punto más alto. Esto incrementa la velocidad en el canal produciendo así la turbulencia necesaria para resuspender los sólidos que luego pueden ser bombeados fuera para un tratamiento posterior, evitando su sedimentación en las zonas cerradas. No debe olvidarse que en este proceso el agua usada para llevar a cabo la limpieza es agua del pozo de bombeo final que esta ya bien mezclada y es 236 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

homogénea en cuanto a contaminantes. Se recomienda el uso de bombas con impulsor de tipo N para este tipo de proceso al quedar así asegurado su funcionamiento bajo cualquier circunstancia.

15.4

Conclusiones Finales

El proceso de limpieza automatizado descrito en los párrafos anteriores controlado mediante unidades de control FMC permite parametrizar el sistema para obtener unos resultados extraordinarios al tratarse de un proceso continuo que se ejecuta desde el momento en el que finaliza el rebose hasta el momento en que finaliza el achique. De la misma manera, este proceso conlleva grandes ahorros en cuanto a que el agua utilizada en el mismo es el propio agua rebosada, y no agua limpia aportada al sistema que luego debe de ser tratada de nuevo al ser mezclada con agentes contaminantes. En lo referente a los procesos del área de la sección biológica de la depuradora, la homogenización del agua aportada implica beneficios indudables en lo referente a los procesos biológicos, permitiendo mantener en esta sección un ambiente constante en cuanto a los parámetros de oxigenación y contaminantes se refiere. El uso de los flo-jet aire / agua conlleva además la indudable ventaja de realizar una oxigenación limitada a la misma vez que se realizan las distintas fases de limpieza. Esto significa: • •

Ahorros importantes energéticos y en tamaño de posibles sistemas de aireación auxiliares si estos pertenecen al proyecto de ingeniería. Eliminación de la mayor parte de los olores al retrasar de forma considerable el comienzo del proceso anaeróbico en el agua acumulada dentro del depósito, culpable de la aparición de la mayor parte de los olores desagradables.

El sistema que hemos visto es un sistema de ingeniería completo. Hay dos partes esenciales que van a garantizar totalmente el funcionamiento de la instalación en su conjunto: • •

Las bombas Flygt y sus eyectores junto con el know-how de su posicionamiento, potencia y distribución para la correcta creación de flujos de limpieza. El sistema electrónico de control con el know how especifico para este tipo de aplicaciones.

Obviamente ambos sistemas, debido a la importancia que tiene su correcto funcionamiento, tienen que ser Flygt y estar totalmente integrados para que la instalación en su conjunto pueda ser considerada como una instalación Flygt con la garantía que ello supone.

depósitos de retención. Funcionamiento y control 237

FLYGT

Teniendo en cuenta el alto coste de estos proyectos (terrenos, obra civil, colectores, tuberías…) el porcentaje de la inversión total que representan los dos equipos mencionados anteriormente es mínimo, y sin embargo son los que van a garantizar el correcto funcionamiento de toda la instalación y a justificar la inversión realizada. La elección errónea de eyectores y / o equipos así como su posicionamiento, o un telecontrol incorrecto llevarán a un fracaso seguro de la instalación.

238 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

16 Fenómenos a tener en cuenta en el diseño de sistemas de bombeo Golpe de ariete

Instintivamente explicamos el fenómeno del golpe de ariete como el “choque” de la columna de agua contra las paredes de una conducción, cuando ésta se detiene repentinamente. Esta detención puede tener lugar por distintos motivos: • •

16.2

Al cerrar o abrir una válvula. Al arrancar o parar una máquina hidráulica, bien voluntariamente o bien como consecuencia de un fallo en la misma.

Descripción del fenómeno

Poniendo el ejemplo del cierre repentino de una válvula, y en virtud del principio de conservación de la energía, al disminuir la energía cinética, ésta se va transformando en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería, y en el trabajo necesario para dilatar esta última. El resultado es que se produce una sobrepresión, a la que llamaremos golpe de ariete positivo. Si por el contrario, se abre una válvula rápidamente, se puede producir una depresión, a lo que llamaremos golpe de ariete negativo.

Capítulo 16

16.1

El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable, como consecuencia de que en la realidad la tubería no es rígida ni el líquido es incompresible del todo. Para explicar este fenómeno, usaremos un sistema muy sencillo compuesto por la descarga de un embalse a través de una conducción dotada de una voluta en su extremo final. Suponiendo un cierre instantáneo de la válvula final, en ésta se origina una onda de presión que se propaga con una determinada velocidad, la cual en el instante considerado tiene dirección contraria a la del fluido. Se ha producido en realidad una onda elástica (de presión) que se propaga por la tubería, se fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 239

refleja en el embalse aguas arriba y vuelve a la válvula, y de nuevo al embalse. Este proceso se repite sucesivamente, originando sobrepresiones y depresiones en la tubería, la cual se dilata y contrae al paso de la onda.

L c d

δ

v Tubería dilatada

16.2.1

Definición de los parámetros que intervienen

El primer estudio establecido por Michaud nos proporcionaba el cálculo de la sobrepresión máxima a través de la fórmula:

ΛH =

2LV gT

Donde: ∆H = Golpe de ariete L = Longitud de la impulsión V = Velocidad del agua g = Aceleración de la gravedad T = Tiempo de parada Posteriormente, Joukowski introdujo por primera vez los cálculos de la sobrepresión máxima que se produce en un cierre total y en un cierre parcial de una válvula, a partir de la inercia que se genera cuando el fluido decelera:

Fi = −m Donde:

∆V ∆t

z2 v 2

v1 ≈ 0 P1 = Patmosférica

∆t no es el tiempo de parada, sino el tiempo finito que transcurre para que una cierta masa m = ρlA de fluido que ocupa una longitud de tubería finita, reduzca su velocidad un cierto valor ∆v.

240bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT En un cierre total

∆v = −v

En un cierre parcial

∆v = v'−v

Según esto, la fórmula de Joukowski para el cálculo de la sobrepresión máxima quedaría como sigue:

∆H = ρcv ∆H = ρc(v − v')

Para cierre instantáneo en tubería elástica Para cierre parcial en tubería elástica

La celeridad de la onda de presión en una tubería elástica es, según Joukowski:

E0 ρ

c= 1+ Donde:

E0 D Ee

c = Celeridad de la onda elástica del fluido, en m/s E0 = Módulo de elasticidad de volumen del fluido, en N/m2 ρ = Densidad del fluido, en Kg/m3 D = Diámetro de la tubería, en m E = Módulo de elasticidad del material de la tubería e = Espesor de la tubería, en m

El numerador de la expresión es la celeridad de la onda elástica en el fluido. En el caso del agua sería:

c0 =

E0 = ρ

1.425 m/s

La velocidad o celeridad de propagación de la onda depende de la elasticidad de las paredes de la tubería y de la compresibilidad del líquido. Suele tener unos valores constantes en tuberías con agua: ƒ ƒ ƒ ƒ

Tuberías de acero: Tuberías de PVC: Tuberías de HDPE: Tuberías de LDPE:

1.100 m/s 170 m/s 290 m/s 130 m/s

Tomando como valor medio del módulo de elasticidad de Young para tubería de acero el valor 2,5 x 1011 N/m2, la expresión de la celeridad quedaría resumida en:

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 241

FLYGT 10.000

c=

 0,5 D  50 +    e 

Pero el cierre de una válvula no es instantáneo. Para analizar el cierre lento, vamos a suponer que la tubería es rígida y el cierre uniforme. La fuerza de inercia será:

Fi = −m

dv dv = − ρAL dt dt

Si el movimiento es uniforme y la sobrepresión máxima, quedaría:

∆H =

ρLv tc

Para cierre lento y uniforme en tubería rígida

Introduciendo un coeficiente K entre 1 y 2 (normalmente inferior a 1,5) para incorporar el efecto de la elasticidad de la tubería, tendremos la fórmula:

∆H = K

ρLv tc

Para cierre lento y tubería elástica

De esta última ecuación, se deduce que el golpe de ariete es tanto mayor: • • •

cuanto mayor sea la longitud de la tubería cuanto mayor sea la velocidad del líquido en la tubería cuanto más rápido sea el cierre de una válvula

Más tarde, Allievi completó los trabajos de Joukowski, y dedujo que para operaciones bruscas, la sobrepresión debía ser calculada por la fórmula:

∆H =

aV g

Donde: a = Celeridad o velocidad de la onda por la conducción. V = Cambio de velocidad en el caudal Estimando que la parada es brusca si el tiempo de parada T es menor de:

T<

2L a

242 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Cuando el tiempo de parada fuese mayor, habría que utilizar la fórmula de Michaud. Las dos expresiones de cálculo de la sobrepresión máxima se igualan cuando el tiempo de parada es:

T=

2L a

Es importante destacar que la fórmula de Michaud no considera ni la compresibilidad del agua, ni que la velocidad del agua no es lineal a lo largo del tiempo T. Por esta razón, llamaremos Longitud crítica Lc a la longitud de tubería desde el final de la impulsión donde coinciden ambas fórmulas (punto crítico) Siguiendo con la teoría de Allievi, la celeridad se calcula por la fórmula:

a=

1 ω  D 1  +  g  Ee ξ 

Donde: ω = Peso específico del agua = 1000 Kg/m3 ξ = Módulo de elasticidad del agua = 2,07 x 108 Kg/m2 E = Módulo de elasticidad del material de la tubería e = Espesor de la tubería Y sustituyendo en la expresión anterior los valores de ω y expresión más sencilla:

9.900

a=

48,3 + K

D e

en la que

ξ obtenemos una

K=

1010 E

Donde: D = Diámetro de la tubería En impulsiones, el cierre de una válvula de retención de bola o de clapeta, sigue un proceso que depende mucho de cada sistema, por lo que es difícil hablar de una variación del tiempo de parada con respecto a algo. Para poder definir mejor cuando usar cada expresión de cálculo, vamos a convertir la expresión del tiempo de parada despejando en su lugar la longitud de la tubería:

L=

aT 2

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 243

FLYGT

Cuando L

<

aT 2

, la impulsión se considera corta, y para el cálculo de la

sobrepresión se utilizará la fórmula de Michaud. Cuando

L>

aT 2

, la impulsión se considera larga, y el cálculo de la sobrepresión

se realizará por la fórmula de Alleivi, desde el punto crítico al origen, y por la fórmula de Michaud el resto longitud de tubería. En cuanto al cálculo del tiempo de parada, se puede usar, con bastante aproximación, la fórmula deducida por Mendiluce:

T =C+

KLV J  g H +  2 

≈C+

KLV gH m

Donde: Hm = Altura manométrica Esta fórmula es experimental y los valores de los coeficientes dependen de ensayos. El coeficiente K representa el efecto de la inercia de la bomba, y sus valores dependen de la longitud de la impulsión. Éstos están definidos en la siguiente tabla: Para L < 500 m Para L ≈ 500 m Para 500 < L < 1.500 m Para L ≈ 1.500 m Para L < 1.500 m

K=2 K = 1,75 K = 1,5 K = 1,25 K=1

El coeficiente C es función de la pendiente hidráulica

Hm L

, y tendrá los

siguientes valores: • • •

Para pendientes crecientes de hasta el 20%, C=1 Para pendientes crecientes entre el 20% y el 40 %, C=1÷0 Para pendientes superiores al 50 %, es conveniente utilizar solo la fórmula de Allievi, por la rapidez de la parada.

Después de esta exposición de los parámetros que intervienen en el fenómeno y de su cálculo, vamos a analizar el tema desde un punto de vista práctico. En una estación de bombeo, la situación más peligrosa que se puede dar es el cierre de una válvula de retención después de haber parado la bomba, especialmente cuando ha ocurrido un fallo de tensión eléctrica. 244 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT 16.2.2

Sobrepresiones y depresiones

Vamos a definir la línea de presión manométrica en una impulsión: Linea manométrica

H

P/ρg Z Perfil de la tubería

Donde: H=P/ρg + Z P= Presión estática Z= Nivel sobre una línea arbitraria En una situación en equilibrio, la bomba arranca y va incrementando la presión en la impulsión. En el caso de tener una subpresión, P/ρg es negativo, Linea manométrica Perfil de la tubería

P/ρg

H

Z

Cuando se para la bomba y la válvula cierra, se producen unos transitorios de presión, lo que significa que la línea manométrica varía con el tiempo, dependiendo de la situación a lo largo de la tubería. fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 245

FLYGT Las sobrepresiones Hmax y depresiones Hmin determinan los diferentes estados de la línea manométrica a lo largo de la tubería, durante el fenómeno oscilatorio.

Hmax

Hequilibrio

Hmin

La sobrepresión puede ser aproximadamente el doble de la presión estática P/ρg. Las subpresiones son realmente mucho más peligrosas que las sobrepresiones, y son especialmente peligrosas en tuberías plásticas que suelen ser más sensibles a la fatiga. Si la presión en algún punto de la tubería baja por debajo de la presión de vaporización, se forman burbujas entre la columna de líquido y la tubería. Si estas burbujas colapsan contra la pared interior, se puede llegar a dañar seriamente la tubería. Los factores de riesgo que intervienen son: •

Perfil de la tubería. La magnitud de la depresión depende del perfil de la conducción.

•

Longitud de la tubería. Una tubería más corta aumentará la línea de baja presión

•

Momento de inercia. Un mayor momento de inercia disminuirá la caída de la línea de presión

•

Velocidad de propagación de la onda. Velocidades de propagación altas aumentan las altas presiones.

246 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT 16.2.3

Protección contra el golpe de ariete

Los métodos de protección del sistema frente al golpe de ariete más usados son los siguientes: • • • • • • • •

Volantes de inercia en los motores (obsoleto). Arrancadores estáticos y variadores de frecuencia. Chimeneas de equilibrio. Calderín antiariete. Válvulas de cierre lento. Válvulas de admisión/expulsión de aire (sí puede ser también de escape de burbujas). Válvulas de seguridad o de descarga. Válvulas de retención intermedias.

Los volantes de inercia acoplados a los motores constituían una solución tradicional y efectiva al problema, prolongando la parada de la bomba, aumentando su momento de inercia. En la actualidad, los volantes de inercia han sido sustituidos por el control electrónico de los motores, bien sea con arrancadores suaves o bien con variadores de frecuencia. El efecto de ambos es similar, tratando de parar la bomba de una forma suave y progresiva. Las chimeneas de equilibrio, chimeneas abiertas al exterior de una altura superior a la existente en la conducción en ese punto, son un buen sistema para amortiguar el golpe de ariete, aunque constructivamente resulte muchas veces inviable por su elevado coste. Su función es, al estar abiertas, permitir la expansión del agua, evitando de esta manera las sobrepresiones que podrían llegar a tener lugar. El calderín antiariete es un depósito que alberga una reserva de líquido conectada a la tubería de impulsión. Suele tener una vejiga llena normalmente de aire que se comprime durante el funcionamiento de la bomba. Dicho reducto de aire comprimido, actúa como amortiguador en caso de golpe de ariete, minimizando de esta manera las sobrepresiones originadas.

Grupo de cuatro calderines antiariete

Cuando la bomba para y la válvula cierra, se inyecta agua al sistema durante la baja presión, y se comprime el aire durante la alta presión. Para evitar una subpresión en la tubería, el calderín debe reaccionar muy rápidamente a través fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 247

FLYGT de una conexión corta y con las menores pérdidas de carga posibles. En algunas instalaciones se han instalado válvulas de compuerta o de retención de cierre lento para disminuir el efecto del golpe de ariete. Estas válvulas pueden ser de accionamiento manual como una válvula de retención con contrapeso y amortiguador, o bien automáticas como las válvulas de tajadera con actuador eléctrico o neumático. En las automáticas, se puede ir reduciendo el caudal antes de que pare la bomba. En las que llevan actuador eléctrico, hay que tener en cuenta que cualquier fallo de tensión en la instalación puede convertir la parada en un proceso brusco. Las ventosas o válvulas de admisión/expulsión de aire son el elemento más económico, fácil de instalar, y efectivo frente a bajas presiones que se puede montar. Unicamente, hay que recordar que requieren un mantenimiento y limpieza periódico. Se suelen montar en distintas posiciones a lo largo de la tubería donde la baja presión es más acusada. Normalmente, la experiencia nos va indicando aproximadamente el lugar de instalación, a la vista de los resultados de otras instalaciones, si bien, como mínimo, han de colocarse en los lugares donde se prevean las mayores subpresiones. Cuando se produce la baja presión, se facilita la entrada de aire para evitar la vaporización. Durante la impulsión, el aire tiene que salir a través de la misma válvula o, en su defecto, a través de una válvula de escape de aire.

Ventosas o válvulas de admisión

Existen en el mercado unas válvulas llamadas trifuncionales que, además de las dos funciones admisión/escape, llevan una derivación con un elemento desaireador (por flotador) para eliminación de la burbuja.

En teoría, las válvulas de seguridad o de descarga deben ir montadas en los puntos donde la sobrepresión es muy acusada. Pero, en la práctica, realmente, las válvulas de seguridad suelen ir instaladas delante de la válvula de retención aguas arriba, principalmente en alguna zona de la estación de bombeo donde 248 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT se pueda habilitar un retorno al pozo de bombeo, con el fin que la descarga no se produzca en cualquier lugar. Estas válvulas sólo realizan una amortiguación de la sobrepresión mediante un muelle, y se suelen usar para impulsiones con caudales pequeños y sobrepresiones modestas. Normalmente estas válvulas son PN10 por lo que es difícil poderlas ajustar a más de 8 o 9 bares. Sección de una válvula de seguridad

Por último, se pueden disminuir los efectos del golpe de ariete partiendo la columna de líquido en varios tramos, ya que como se ha dicho con anterioridad, la sobrepresión es menor si la longitud de la tubería disminuye. Esta partición se realiza mediante válvulas de retención. Las válvulas de retención pueden ser montadas a lo largo de la tubería, añadiéndose una ventosa delante de cada una.

Válvula de bola

Válvula de clapeta simple

Válvula de doble clapeta

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 249

FLYGT Ventosa Calderín Antiariete

Válvula de retención

Esquema de montaje de elementos antiariete

16.3

Cavitación

16.3.1

Descripción del fenómeno

Es un fenómeno que se produce cuando la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de la presión vapor del mismo. La cavitación puede producirse tanto en estructuras estáticas como tuberías, venturis, máquinas hidráulicas o bombas y turbinas. Para analizar el fenómeno de cavitación vamos a partir de una bomba centrífuga que aspira de un depósito abierto a la atmósfera. Entre la lámina de agua (punto 1) y la tubería horizontal a la entrada de la aspiración de la bomba (punto2), hay una cota z2. Vacuómetro

Manómetro

2 v2 z2 v1 ≈ 0

1

P1 = Patmosférica Plano de referencia

Si aplicamos la ecuación de Bernoulli entre estos dos puntos tendremos:

P1 v12 P v2 + − H r 1− 2 = 2 + 2 + z 2 ρg 2 g ρg 2 g 250 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Donde:

P1 y P2 = Presiones absolutas en los puntos 1 y 2 Hr1-2 = Pérdida de carga entre los puntos 1 y 2

Como el depósito está abierto a la atmósfera, la P1 = Presión atmosférica Entonces:

P2 Patmos v22 − v12 = − − z 2 − H r 1− 2 2g ρg ρg La P2, teóricamente, se podría bajar hasta el cero absoluto; pero, en la práctica, existe un límite inferior previo; que es la presión de vapor del fluido. Dicha presión del vapor depende de la temperatura. Así, por ejemplo, el agua entra en ebullición a 100ºC cuando la presión es 1,0133 bares. Pero el agua también puede hervir a 25ºC, basta que la presión absoluta baje hasta el valor 0,03166 bares. De la última ecuación se deduce que la presión P2 será tanto menor y, en consecuencia, el peligro de cavitación tanto mayor, en los siguientes casos: • • • • •

Cuanto menor sea la presión atmosférica. Cuanto mayor sea la altura de velocidad creada en la zona de depresión. Cuanto mayor sea z2. Cuanto más se eleve la bomba con relación al nivel inferior. Cuanto mayores sean las pérdidas Hr1-2 de carga en la aspiración.

Según se ha dicho anteriormente, cuando la corriente de líquido en un punto de una estructura estática o de una máquina alcanza un valor inferior a la presión de saturación del vapor, el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor (de ahí el nombre de cavitación).

∆H

P ≤ Ps

Ejemplo de cavitación forzada por descenso de presión

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 251

FLYGT Estas cavidades o burbujas de vapor arrastradas por la corriente llegan a zonas donde reina una presión muy elevada, y allí se produce una condensación violenta del vapor. Esta condensación del vapor a su vez produce una elevación local de la presión que puede sobrepasar los 1.000 bares. En el interior del fluido existen zonas en las que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno. Se dice que las burbujas sufren una “implosión”. Este efecto es bastante más devastador que una explosión, dañando considerablemente los materiales sobre los que tiene lugar. El aspecto del material afectado por la cavitación es el de un material fuertemente erosionado en unos puntos concretos, formando profundas depresiones o agujeros.

16.3.2

La cavitación en las bombas. Concepto de NPSH

La cavitación en las bombas produce dos problemas fundamentales: • •

Disminución del rendimiento Erosión y destrucción de materiales

Por otro lado, la aparición de la cavitación en bombas está relacionada con: • • •

El tipo de bomba (mejor cuanto más baja sea la velocidad específica). Instalación de la bomba (la cota del eje de la bomba sobre el nivel de líquido en el depósito, debe ser elegida para evitar la cavitación). Condiciones de servicio de la bomba (el caudal de la bomba nunca debe exceder el máximo permisible para que no se produzca cavitación).

La altura total a la entrada de una bomba referida a una cota determinada zE será:

HE =

PE cE2 + ρg 2 g

En el interior de la bomba hasta que el líquido llegue al rodete donde se comunica un incremento de altura, HE disminuirá a causa de las pérdidas. además, la corriente se acelera localmente y/o aumenta la altura geodésica, presión PE disminuirá. Como esta presión debe mantenerse igual o mayor que presión de saturación del líquido a la temperatura de bombeo para evitar cavitación, la altura total en la aspiración disponible HEd será:

H Ed =

PE − Ps cE2 + ρg 2g

252 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

le Si la la la

FLYGT Por otra parte, aplicando la ecuación de Bernoulli entre el eje de la bomba E y la lámina de agua en el depósito A, y despreciando la energía cinética en el depósito, se tiene:

PA PE cE2 − H s − H rA − E = + ρg ρg 2 g Con lo que la altura de aspiración disponible será:

PA − Ps − H s − H rA − E ρg

H Ed =

La altura de aspiración disponible HEd se denomina en los países anglosajones NPSHdisponible (Net Positive Suction Head), expresión que se ha generalizado en todo el mundo. Para evitar la cavitación:

HEd ≥ ∆h

Donde ∆h es un parámetro que significa la caída de altura de presión en el interior de la bomba, y depende del tipo de bomba y de su construcción. La cavitación empezará en el momento en que HE alcance el valor mínimo: HEd = ∆h que es la altura de aspiración necesaria y se denomina NPSHrequerido En términos actuales, para que la bomba no cavite:

NPSHdisponible ≥

NPSHrequerido

El NPSHdisponible se calcula a niveles prácticos como:

NPSHdisponible = Hatmosférica + Hpozo – Hpérdidas – Hsaturación Donde:

Hatmosférica = Presión atmosférica Hpozo = Distancia desde la lámina de agua hasta el eje del impulsor Hpérdidas= Pérdidas de carga en la tubería de aspiración Hsaturación = Presión de vaporización (saturación del vapor) del líquido

16.3.3

Otras causas de la cavitación en bombas

En la realidad, con esta regla no podemos asegurar que la bomba no vaya a sufrir cavitación, porque existen otras zonas peligrosas de trabajo, independientemente del NPSH disponible. fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 253

FLYGT Estos casos de tipo especial pueden resumirse en dos: • •

Cavitación por burbujas creadas a partir de distorsiones en el flujo de aspiración. Cavitación producida por recirculaciones en la salida del impulsor. El flujo a la entrada de la bomba debe ser lo más recto, uniforme posible. Cualquier distorsión próxima a la ubicación del impulsor en el canal de aspiración, puede producir depresiones que fomenten el fenómeno de la cavitación.

Las conducciones de aspiración deben ser lo más rectas posible. Si se ha de colocar un codo a la entrada, éste deberá ser de un radio uniforme. Las válvulas de tajadera que se suelen poner para independizar la bomba del pozo en intervenciones de mantenimiento, debe ser montada a más de un metro de la brida de aspiración de la bomba, y, desde luego, se debe evitar embridarla a la bomba.

Tajadera

Eliminar esta parte

Suavizar este pico

Impulsor con erosión por cavitación producida por la proximidad de la válvula de tajadera

El caso de las imágenes que se muestran resume este tipo de cavitación. En el rebaje del asiento de la tajadera de la válvula, se produce un flujo negativo del caudal, por el cual se forman burbujas de vapor que implosionan al chocar contra el impulsor, debido a la escasa distancia entre la válvula y la bomba. El efecto resulta devastador. Para suavizar el efecto de la cavitación, se debería modificar el asiento de la tajadera de la forma descrita en la ilustración sobre estas líneas. 254 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT También, si trabajamos con una bomba centrífuga en la zona de la curva característica Q-H donde la altura es máxima, se producen una serie de recirculaciones en la salida del impulsor que favorecen zonas locales de bajas presiones se puede llegar a producir tal gradiente que se favorezca la cavitación, como puede observarse en la fotografía. Conviene tener en cuenta que, trabajando con un variador de frecuencia, se debe comprobar que no se alcanza esta zona de perturbaciones cuando se reduce la velocidad.

Impulsor con daños de cavitación en la zona de alta presión como consecuencia de recirculación interna

Una forma de conocer cuando la cavitación está teniendo lugar, sin necesidad de comprobar posibles erosiones en las piezas internas de la bomba, es detectando las caídas de rendimiento que el fenómeno de la cavitación produce. Se considera que la bomba empieza a cavitar cuando el rendimiento disminuye más de un 3% con respecto al rendimiento esperado Es conveniente tener presente siempre la corrosión como un fenómeno muy nocivo para el material, sobre todo en el caso de fundición de hierro. La cavitación puede ser a veces el detonante, empezando así una pequeña erosión que más tarde y con ayuda de la corrosión puede llegar a formar agujeros enormes en los álabes del impulsor, causando desequilibrios dinámicos que se manifiestan en forma de vibraciones y producen en la bomba filtraciones, calentamientos, e incluso roturas de algunos elementos como ejes. Comienzo de corrosión con pérdida de material por cavitación

16.4

Pérdidas de carga

Se entiende por pérdida de carga la energía perdida en los rozamientos del fluido contra las paredes de las conducciones y en turbulencias en general al pasar por los distintos elementos del sistema (válvulas, codos, estrechamientos). fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 255

FLYGT Estas pérdidas de energía se traducen en pérdidas de presión y, por tanto, será necesario que el sistema de bombeo proporcione esta presión extra para poder dar el servicio deseado.

Hm = Hg + Hp Siendo: Hm = Altura manométrica o presión que tiene que dar la bomba en total. Hg = Altura geométrica o diferencia de cotas entre la entrada y la salida. Hp = Pérdidas de carga Ya que las pérdidas de carga Hp son consecuencia directa de los rozamientos, se puede concluir que éstas dependerán de:

Hp = Hp(V 2 ) , y por

tanto del caudal

•

La velocidad del fluido, ya que

• • •

que pasa por una sección dada, o de la sección elegida para un caudal determinado. La rugosidad de la conducción, material y estado de la misma. La longitud. Los elementos singulares, (válvulas, estrechamientos, codos)

El cálculo de las pérdidas se puede realizar de forma teórica usando las fórmulas que se describen a continuación, si bien, para mayor comodidad del proyectista, TFB-Flygt recomienda el uso del programa Flyps, que se adjunta en este libro.

16.4.1

Régimen laminar y régimen turbulento

La circulación de un fluido por un conducto puede ser ordenada, estratificada, como clasificada en capas que no se mezclan entre sí, y no se alteran con el tiempo. Este movimiento se denomina REGIMEN LAMINAR.

Cuando el movimiento resulta caótico, y las partículas se mueven desordenadamente, y las trayectorias de las partículas se entrecruzan formando pequeños remolinos no periódicos, el movimiento se denomina REGIMEN TURBULENTO.

256 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

En el caso de régimen laminar, se presenta una velocidad máxima en el eje del conducto, y una velocidad mínima en la superficie de contacto con las paredes interiores. En el caso de régimen turbulento, y, aunque las partículas se muevan desordenadamente sin seguir una trayectoria determinada, también podemos decir que presenta una velocidad máxima en el eje del conducto, y otra mínima en la periferia (que no es nula). Un líquido adoptará uno u otro régimen dependiendo de: • • • •

Velocidad media de circulación del líquido por la tubería. Diámetro interior de la tubería. Viscosidad cinemática del líquido. Rugosidad de las paredes del tubo.

16.4.2

El Número de Reynolds y la Rugosidad relativa

Un físico Inglés de finales del siglo XIX llamado Reynolds, llevó a cabo una serie de experimentos con un tubo de cristal de boca abocinada y que terminaba en una válvula. En el tubo entraba el agua por la válvula a una velocidad controlada. Válvula para control del número de Reynolds

Depósito de colorante

Tubo de cristal

Esquema del experimento de Reynolds

Un pequeño depósito contenía un colorante fuerte que se inyectaba a la entrada del tubo a través de una boquilla. Al abrir la válvula, aumentaba el caudal, y con él, la velocidad. Abriendo poco a poco la válvula, el hilo de corriente era, al principio, una línea recta (corriente laminar). Luego, con la válvula suficientemente abierta, empezaban a formarse remolinos aguas abajo junto a la válvula, mezclándose allí el colorante con el agua. Y finalmente, los remolinos se propagaban por todo el tubo, quedando todo el tubo coloreado (corriente turbulenta). Con estos experimentos, Reynolds definió un número adimensional con objeto de cuantificar y diferenciar el tipo de régimen o corriente. Así pues, introdujo el NUMERO DE REYNOLDS: fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 257

FLYGT

Re =

vD υ

Donde: v = Velocidad del fluido D = Diámetro de la tubería υ = Viscosidad cinemática del fluido Viscosidad cinemática del agua (cst) a diferentes temperaturas T ºC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ν 106 1,792 1,31 1,006 0,80 0,66 0,56 0,48 0,41 0,36

90 0,33

100 0,30

El problema era encontrar un valor del número de Reynolds crítico que representase la transición entre régimen laminar y turbulento. Esto resultaba complicado de asociar con un número en particular según los experimentos. Lo que sí se consiguió ver con claridad es que a partir de ciertos valores el movimiento quedaba perfectamente definido: • •

Para Re > 12.000 la corriente era necesariamente turbulenta. Para Re ≤ 2.000 la corriente era necesariamente laminar. Re = 2000 se considera el número de Reynolds crítico inferior.

Con el número de Reynolds, tres de los cuatro parámetros que condicionan el tipo de régimen quedan asumidos. Respecto al Re crítico superior, podemos afirmar que no existe y que depende estrictamente de la rugosidad de la tubería. Las superficies internas en los tubos presentan irregularidades de diferentes formas y alturas. Para cuantificar esta rugosidad introducimos la RUGOSIDAD ABSOLUTA (K), que se mide en milímetros. La RUGOSIDAD RELATIVA se define como el cociente entre K y el diámetro de la tubería D. MATERIAL Acero galvanizado nuevo Acero laminado nuevo Acero laminado oxidado Aluminio nuevo Latón, cobre Policloruro de vinilo PVC y Polietileno PE Poliéster reforzado de fibra de vidrio PRFV Fibrocemento nuevo Fibrocemento viejo Hormigón nuevo centrifugado Hormigón viejo, con adherencias Hormigón nuevo moldes groseros (rugoso) Fundición de hierro nueva Fundición de hierro vieja Fundición de hierro nueva, revestida de asfalto 258 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

RUGOSIDAD K (mm) 0,15 0,05 0,15 - 0,25 0,015 - 0,06 0,001 - 0,02 0,007 – 0,01 0,01 0,03 - 0,1 0,1 0,5 2-4 1-3 0,5 1,5 – 3 0,2

FLYGT 16.4.3

Coeficiente de pérdidas de carga. Fórmulas de cálculo

A finales del siglo XIX, Darcy y Weisbach demostraron que la pérdida de carga en una tubería era directamente proporcional al cuadrado de la velocidad media en la tubería y a la longitud de la misma, e inversamente proporcional al diámetro de la misma:

L v2 H rp = λ D 2g Siendo:

(Hrp comúnmente se denomina J)

λ = Coeficiente de pérdida de carga (fricción) de la tubería

Este factor λ es función de la velocidad, del diámetro, de la densidad absoluta, de la viscosidad dinámica, y de la rugosidad absoluta. Este factor es adimensional, y es función de variables adimensionales:

 vDρ K  λ = f  ,   η D Rugosidad relativa (K/D) Número de Reynolds (Re) El cálculo del coeficiente λ de pérdidas de carga se realiza de varios modos según el tipo de régimen y la rugosidad de la tubería: 1.

Régimen laminar con tuberías lisas y rugosas (Fórmula de Poiseuille): En régimen laminar, λ no es función de la rugosidad.

λ= 2.

64 Re

Régimen turbulento y tuberías lisas para 2.000 < Re < 100.000 (Fórmula de Blasius):

λ=

0,316 1

Re 4 3.

Régimen turbulento y tuberías lisas para Re > 100.000 (Fórmula de KármánPrandtl):

1 = 2 log10 (Re λ ) − 0,8 λ fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 259

FLYGT Los trabajos de Nikuradse, en los que ensayó con tuberías comerciales o de rugosidad natural, relacionando λ con el número de Reynolds y con la rugosidad relativa, sirvieron para deducir posteriormente fórmulas más reales y aproximadas. 4.

Fórmula de Colebrook-White: En la zona de transición de laminar a turbulento (en la que todavía λ=f(Re,K/D), es la fórmula universal de pérdida de carga en conductos industriales, excepto en régimen laminar.

1 2,51   K = −2 log10  +  λ  3,71D Re λ  5.

Fórmula de Kármán-Prandtl: Para números de Reynolds muy elevados en tuberías muy rugosas (casos extremos):

D 1 = 2 log10 + 1,74 2K λ Como normal general se suele utilizar el siguiente criterio: • •

Para Re < 2.000 Fórmula de Poiseuille Para Re > 2.000 Fórmula de Colebrook-White

A continuación, vamos a ver varios procedimientos de cálculo del coeficiente de pérdidas de carga λ: 1)

Procedimiento de cálculo por correcciones sucesivas: Se trata de un proceso iterativo en el que se empieza por un valor λ1, y se sustituye en el segundo miembro de la ecuación, obteniéndose otro λ2 en el primer miembro. Si se aplica λ2 en el segundo miembro, obtendríamos otro valor λ3, y así sucesivamente. Después de tres o cuatro iteraciones, se suele dar con un coeficiente muy aproximado

2)

Procedimiento de cálculo mediante tablas: Éstas relacionan el coeficiente de pérdidas de carga λ, con el número de Reynolds Re, y con la rugosidad relativa K/D. El procedimiento es el siguiente: • • •

3)

Se calcula previamente el número de Reynolds. Se determina el valor de K/D. Se busca en las tablas un valor de λ, entrando por la rugosidad relativa K/D, hasta encontrar en la tabla una número de Reynolds Re lo más aproximado al calculado.

Procedimiento de cálculo por el diagrama de Moody: Es un diagrama construido en papel doblemente logarítmico, que es la representación gráfica de dos ecuaciones, la de Poiseuille y la de Colebrook-White.

260 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Es un diagrama adimensional, por lo que es compatible con cualquier sistema de unidades. Incorpora una línea de trazos que define y separa la transición de la zona de turbulencia total. El procedimiento es el siguiente: • • • •

16.4.4

Se toma el valor de la rugosidad absoluta K, según el material. Se calcula la rugosidad relativa K/D. Se calcula el número de Reynolds. Se lee el valor λ del diagrama.

Fórmulas empíricas de cálculo

Se utilizan hoy en día una serie de fórmulas empíricas como las que hemos visto para el cálculo de pérdidas de carga, que relacionan la velocidad, con la pérdida de carga unitaria, y con el diámetro. Estas fórmulas utilizan unos coeficientes determinados según el caso. Una fórmula muy común para el cálculo en tuberías suele ser:

v = 0,355CD 0,63 s 0,54

Fórmula de Hazen-Williams

Y, despejando la pérdida de carga para unidades métricas, la fórmula de HazenWilliams quedaría así: 1,852

v J = H rp = 6,815  C

D −1,167 L

Donde C es un coeficiente función de la rugosidad y que se recoge en la siguiente tabla para los materiales más comunes: MATERIAL Fundición nueva Fundición vieja Fundición revestida Cemento Hormigón nuevo Hormigón viejo Cobre, latón Acero galvanizado nuevo Acero inoxidable nuevo Acero inoxidable viejo Acero soldado Acero viejo (en malas condiciones) Polietileno PE y PVC nuevo Polietileno PE y PVC viejo PVC Poliéster reforzado con fibra de vidrio

COEFICIENTE C (Hazen-Williams) 136 120 150 140 130 100 130 138 150 108 100 60 - 80 150 108 108 108

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 261

FLYGT

16.4.5

Pérdidas de carga secundarias

Hasta ahora, hemos visto las pérdidas de carga que se producen como consecuencia del rozamiento con las paredes del conducto, fundamentalmente. A estos tipos de pérdidas las llamaremos primarias. Las pérdidas de carga que son pérdidas de forma, y que tienen lugar en los cambios de sección y dirección de la corriente, en las contracciones, ensanchamientos, codos, diafragmas, válvulas, etc., las llamaremos secundarias. Estos elementos o accesorios de tuberías, producen una perturbación de la corriente que origina remolinos y desprendimientos que intensifican las pérdidas totales. Estas pérdidas se pueden calcular por dos métodos: • •

Por una fórmula especial con unos coeficientes. Por el método de la longitud equivalente.

La ecuación fundamental de las pérdidas secundarias relaciona un coeficiente adimensional ζ, y la velocidad:

v2 H rs = ζ 2g El coeficiente ζ depende del tipo de accesorio y existen valores tabulados para diferentes ángulos, diámetros, etc. El segundo método de cálculo es el método de la longitud equivalente. A dicha longitud X, se le denomina longitud equivalente y su uso simplifica considerablemente los cálculos de pérdidas de un sistema, ya que tan solo será necesario sumar las distintas longitudes equivalentes a la longitud de la conducción principal y aplicar la fórmula general:

Hr = λ

16.5

(L + ∑ L ) v e

D

2

2g

Vibraciones

Las vibraciones en maquinaria pueden tener serias consecuencias. El conocimiento del fenómeno, junto con unas reglas de diseño de instalaciones de bombeo, pueden ayudar a reducir los daños en el equipo y en las conducciones.

262 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT Cuando se diseña una máquina, el objetivo del ingeniero es mantener los niveles de vibración dentro de un margen aceptable, particularmente en los puntos donde puede afectar al funcionamiento del equipo. Las consecuencias que se pueden evitar son la fatiga excesiva, el ruido y el desgaste, así como el deterioro de otras partes del sistema, sobre todo, soportes y anclajes.

16.5.1

Fuentes de vibración en las bombas

Las fuentes principales de una vibración son siempre las asimetrías, bien del material o bien de las fuerzas que actúan sobre las partes móviles, y por tanto, las principales fuentes de una vibración son: • • •

Desequilibrio de las partes giratorias, especialmente del impulsor. Fuerzas hidráulicas asimétricas causadas por la voluta. Fuerzas hidráulicas asimétricas causadas por un impulsor monocanal.

Posibles desequilibrios en motor o impulsor

La frecuencia y tipo de la vibración en una bomba dependerá sobre todo de: • • •

La velocidad de giro. El número de álabes del impulsor. Las fuerzas hidráulicas que ocurren cuando el álabe pasa por zonas en las que existe una presión irregular se ven multiplicadas por el número de éstos. El número de guías de la voluta.

La magnitud de las fuerzas responsables de las vibraciones depende fundamentalmente del punto de trabajo. Las bombas se diseñan para que éstas sean mínimas en el punto de máximo rendimiento para un caudal determinado denominado caudal nominal.

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 263

FLYGT

Relación de las fuerzas que producen vibraciones con el punto de funcionamiento

16.5.2

Formas de reducir los niveles de vibración

Las reglas generales para mantener los niveles de vibración dentro de valores aceptables son las siguientes: 1.

Todas las partes del sistema deben ser lo suficientemente rígidas y estar correctamente ancladas. Con esto, intentaremos que las perturbaciones que se generan no se transmitan al resto del sistema.

2.

Recomendaciones de instalación: • Incluir una base de un peso adecuado, de al menos dos veces el peso de las partes giratorias. • Anclar la bomba firmemente a la estructura. • Usar un soporte flexible entre la estructura y el suelo, como una alfombra o unos pies de goma. • Usar juntas flexibles para las tuberías. • Anclar las tuberías al suelo o a otra estructura sólida.

3.

Utilizar soportes horizontales y verticales puesto que las vibraciones no dependen de la gravedad.

4.

Las tuberías deben tener un soporte a la distancia de 1/3 de la longitud crítica de tuberías desde la bomba. Esta es la longitud en la que ocurre la primera frecuencia natural.

264 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT 5.

La longitud de la tubería debe ser menor del 70% de la longitud crítica.

6.

Las partes pesadas de la tubería como válvulas deben tener sus propios soportes.

7.

Las tuberías deben estar ancladas si se utiliza algún tipo de fuelle o manguito antivibración.

Manguito antivibración

8.

Soporte de válvula

El uso de un variador de frecuencia puede excitar un amplio rango de frecuencias, por tanto, cuando se empleen estos elementos hay que tener especial cuidado con las vibraciones que se producirán.

16.5.3

Niveles y medición de la vibración

La normativa ISO 2372 define una serie de niveles de vibración como aceptables, según el tamaño de la máquina, la cual está clasificada en cuatro clases distintas (ver tabla). La norma ISO 2372 también realiza la clasificación de los soportes como sigue: •

Soporte flexible: La frecuencia natural fundamental del sistema máquina/soporte es más baja que su frecuencia principal de excitación.

•

Soporte rígido: La frecuencia natural fundamental del sistema máquina/soporte es más alta que su frecuencia principal de excitación

El nivel aceptable de vibraciones es cuanto mayor cuanto mayor es la máquina que la produce. La tabla expuesta en la siguiente página recoge estos niveles.

fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 265

FLYGT

Severidad de vibración CMVP50 Mm/s RMS

0,28 0,45 0,71 1,12 1,80 2,80 4,50 7,10 11,20 18,00 28,00 45,00 71,00

Límites de rango de velocidad y clases de maquinaria Norma ISO 2372 - 1974 Máquinas Máquinas Máquinas grandes pequeñas medianas Clase I Clase II Soporte rígido Soporte flexible Clase III Clase IV

Bueno Satisfactorio Insatisfactorio Inaceptable

Una bomba será considerada como clase II, y tomaremos el valor de referencia de 7,1 mm/s como nivel de vibración máximo admisible. La medición se realizará sobre los apoyos del eje (rodamientos) en las tres direcciones del espacio. En algunos casos, un nivel acusado de vibración se puede deber a un problema de succión de la bomba. Para determinar si la vibración se origina en la aspiración de la bomba, se puede realizar un barrido mediante un analizador de frecuencias.

16.6

Ruido

El ruido en instalaciones de bombeo depende de las propiedades hidráulicas, mecánicas y acústicas de la bomba y de la instalación. La bomba no es la única fuente de ruido, los componentes que están conectados a ella también producen ruido. El proyectista debe diseñar el sistema de modo que dichos niveles de ruido se mantengan por debajo de los permitidos por la legislación, en función de la zona donde se sitúen el pozo de bombeo y las instalaciones auxiliares.

266 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

16.6.1

Procedencia del ruido en instalaciones de bombeo

El sonido emitido en una instalación de bombeo procede de vibraciones de la estructura de la bomba y los distintos componentes conectados a ella. La emisión de ruido depende de una variedad de factores: • • • •

El motor y el impulsor usado. Punto de trabajo de la bomba. El fluido bombeado. Las propiedades mecánicas y acústicas de todo el sistema.

El primer paso para controlar el nivel de ruido es identificar sus fuentes y entender la forma de generar este ruido. El lugar más efectivo para controlar el ruido es su punto de origen. Si esta aproximación no es factible, el ruido de la máquina puede ser redirigido o absorbido. Sin embargo, algún ruido es inherente al proceso mecánico.

16.6.2

Medida del ruido. La escala en decibelios

El ser humano puede detectar un rango de amplitud de sonda de sonido desde 20 millonésimas de Pascal hasta 200 Pascales. Así, si midiéramos el sonido en Pascales, manejaríamos cifras muy grandes. Para evitar esto se usa la escala en decibelios. El decibelio no es una unidad absoluta de medida. Es un ratio entre una cantidad medida y un nivel de referencia acordado. La escala en decibelios es logarítmica y usa el umbral del oído de 20 µPa como nivel de referencia, es decir, 0 dB. Cuando multiplicamos la presión del sonido en Pa por 10, añadimos 20 dB a la escala en decibelios. Así, 200 µPa corresponden a 20 dB, 2000 µPa corresponde a 40 dB, y así sucesivamente. La gráfica al final de este apartado muestra la equivalencia entre µPa y dB en los ruidos que normalmente encontramos en la vida real. Las muchas fuentes que pueden crear ruido en una bomba y en su instalación son expuestas a continuación: ruido a baja frecuencia se refiere a ruido con frecuencias inferiores a la frecuencia de paso de una álabe del impulsor. Ruido a alta frecuencia es ruido a frecuencias superiores a dicha frecuencia. Las fuentes de ruido en principio serán: •

El paso del álabe del impulsor por la lengüeta de la voluta crea no solo fuerzas alternativas que actúan sobre la voluta y el impulsor, sino que también crea pulsos de presión en el agua. La excitación ocurre a una frecuencia que es el producto de la frecuencia de rotación de la bomba por el número de álabes. Si se utilizan álabes–guía (flujo axial) se debe considerar el número de los mismos, multiplicándolo por el anterior producto. Esta excitación puede ser fuerte en amplitud de tal forma que produce vibración y ruido. La excitación resulta especialmente fuerte para impulsores monocanal. La fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 267

FLYGT frecuencia del ruido es baja, como un estruendo y con frecuencia es emitido desde la estructura conectada a la bomba. •

•

El ruido por cavitación es debido a las burbujas de vapor implosionando constantemente sobre el impulsor y la voluta, y a veces dentro del propio líquido. La frecuencia del ruido por cavitación es alta, y cubre un ancho de banda. Puede variar en el tiempo y producir un sonido como pulsos. El motor eléctrico produce ruido a causa del campo electromagnético generado entre estator y rotor, el cual produce fuerzas alternativas en el estator. El estator vibra y emite ruido como un gemido. Los variadores de frecuencia pueden aumentar el nivel de ruido.

Escala de ruidos

268 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT 16.6.3

Otras causas del ruido en bombas

Además de los “ruidos” normales de las bombas, tienen lugar otros ruidos debidos a desgastes y defectos en máquinas y sistema. • • • •

El desequilibrio de las partes giratorias de la bomba produce vibración y ruido, como ya hemos indicado. La frecuencia del ruido es baja y suena como un estruendo. Los atascos en los impulsores reducen el caudal y producen desequilibrios que se manifiestan en forma de ruido y vibración. Las llamadas pérdidas de cortocircuito o recirculaciones en los anillos de desgaste por el “desgaste” de los mismos, pueden producir un ruido que es agudo y puede variar con el tiempo. Los rodamientos pueden emitir ruido cuando la lubricación es deficiente o sufren un desgaste excesivo. La frecuencia del ruido es alta.

Por otro lado, vamos a distinguir las causas del ruido debido a las instalaciones: • • • • •

•

Las prerrotaciones del fluido en la entrada de la voluta pueden afectar el bombeo y causar vibración y ruido. La frecuencia es baja como un estruendo. La turbulencia en las válvulas puede causar ruido en éstas. El ruido es agudo. La formación de vórtices crea un canal que conduce el ruido hidráulico de la voluta hacia la superficie, ruido que de otra manera sería absorbido por el agua. La interacción entre el líquido y la tubería causa vibración en las tuberías y excita el aire de alrededor. Cuanto más turbulento sea el caudal, más grande es la excitación y más alto es el ruido. La resonancia hidráulica puede ocurrir si una bomba induce fluctuaciones de presión y éstas son reflejadas por el sistema de tuberías, de tal forma que se suman en fase con los pulsos de salida de la bomba. Los niveles de vibración y ruido llegan a ser bastante altos. El sonido es transmitido mecánicamente a los componentes conectados a la bomba. Estos componentes pueden ser mejores emisores de ruido que la bomba misma. La reducción del ruido mecánico transmitido puede hacerse empleando algún tipo de aislador de vibraciones.

El sonido puede ser transportado por el aire, la estructura, o el líquido. El sonido de la bomba puede propagarse a una distancia con escasa atenuación antes de que se propague por el aire y sea audible. Para una instalación en húmedo, la mayoría del sonido directo de la bomba y de las tuberías adyacentes, se irradia en el interior del agua. Ya que la transmisión acústica entre agua y aire es pobre, la mayoría el sonido permanece en el agua. En instalaciones en seco, la bomba irradia el sonido directamente al aire. Sin embargo, el sonido transmitido mecánicamente existe en ambos tipos de instalación. La mayoría de las estaciones de bombeo están hechas en hormigón, un material que absorbe poco el sonido. Debido a la escasa amortiguación del sonido, tiene fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 269

FLYGT lugar una cantidad de reverberación importante. Esta reverberación se añade al propio ruido por la presión de la bomba.

16.6.4

Recomendaciones para reducir el nivel de ruido

Las reglas para realizar una instalación de bombeo lo más silenciosa posible son las siguientes: • • • •

• •

• •

El punto de trabajo de las bombas debe estar lo más cercano posible al punto de diseño de las mismas. Se debe eliminar por completo el hecho de que el NPSH sea insuficiente. El pozo y la red de tuberías deben ser diseñados desde un punto de vista hidráulico y no sólo constructivo. Dinámicamente, la estructura de instalación de la bomba debe ser la adecuada para eliminar vibraciones. El sonido transmitido mecánicamente de la bomba debe ser reducido aislando primero la bomba del suelo por medio de soportes flexibles (silent-blocks), y segundo, las tuberías, mediante el uso de fuelles o juntas amortiguadoras. El sonido propagado por el líquido desde la bomba a lo largo de la tubería puede reducirse usando amortiguadores de pulsaciones de presión. Las vibraciones inducidas por el líquido a la estructura pueden ser reducidas eliminando cambios bruscos de dirección en la tubería al lado de la bomba. La radiación del ruido desde las tuberías puede reducirse usando amortiguadores acústicos o materiales de absorción acústica montados en la tubería. Parte del ruido de las válvulas puede eliminarse colocando las válvulas lejos de los codos para evitar una excesiva turbulencia y presiones irregulares. En general, la amplificación del sonido en una estación de bombeo puede reducirse usando amortiguadores acústicos.

El nivel de sonido por presión en cualquier punto de un campo de sonido es el tiempo medio de la perturbación de presión acústica pdist , y se define como: 2   pdist  L p = 10 log 2  p   ref 

El nivel de referencia en cuanto a sonido por presión es pref = 20 µPa. El oído humano es más sensible a altas que a bajas frecuencias. El nivel de sonido por presión por lo tanto se pondera a diferentes frecuencias para ajustarse al oído. El método más común de ponderar es el sistema A, indicado por una “A”, por ejemplo, dB(A). Le emisión de ruido de una máquina se establece como el nivel de potencia de sonido de la misma. Este nivel se define como: 270 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT  W LW = 10 log W  ref

   

“W” es la potencia de sonido de la fuente y el nivel de referencia es: Wref = 10-11 W El nivel de potencia de sonido en bombas se mide de acuerdo a la norma ISO 9614-2. El procedimiento consiste en instalar la bomba sobre un apoyo y fijarla a un soporte que se desliza. El nivel de agua se mantiene a un mínimo para asegurar la máxima cantidad de emisión acústica por el aire. El nivel de sonido por presión correspondiente a una distancia de 1 metro desde la bomba se obtiene por cálculos según la norma ISO 11203.

16.7

Sumergencia

Se entiende por sumergencia la profundidad mínima a la que debe encontrarse la entrada del agua para evitar fenómenos indeseables y nocivos, como la entrada de aire en las bombas.

16.7.1

La sumergencia en bombas sumergidas

Parece, por simple referencia al nombre, que el concepto de sumergencia está relacionado únicamente con la bomba de tipo sumergible. Pues bien, en parte es así, aunque nos referimos con el nombre de sumergencia a la cota que se debe de respetar entre el nivel de agua en el pozo y la aspiración de la bomba, y esto es algo que existe tanto para instalaciones en cámara húmeda como en cámara seca. Para bombas sumergidas de flujo tanto radial como axial, la sumergencia máxima suele ser un dato del fabricante, aunque como dato de orientación hablaremos de 20 metros para evitar filtraciones a través de la entrada de cable. Para casos en los que se requiera mayor sumergencia se montarían tacos especiales. La sumergencia mínima suele estar justo en la parte alta de la voluta, siempre que se compruebe que el NPSHreq < NPSH disponible para esa cota. Vamos a ver en primer lugar la sumergencia para bombas en seco, y posteriormente trataremos el tema de las bombas entubadas que necesitan de una sumergencia mínima, pese a estar sumergidas.

16.7.2

Cálculo de la sumergencia mínima

La sumergencia mínima se calcula en base al Número de Froud (Fr). Recordemos que este número proviene de las leyes de semejanza hidráulica y se trata de un número adimensional que define una situación o fenómeno en el que existe una fuerza dependiente de un gradiente de presiones y afectada por la gravedad. fenómenos a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bombeo 271

FLYGT La sumergencia debe ser: S = 1,7 Fr

siendo

Fr =

v gD

Donde: v = Velocidad de aspiración D = Diámetro interior de la tubería g = Gravedad Con la condición de que además: S ≥ 1,75 Dinl (Diámetro interior de la tubería de aspiración) La sumergencia mínima se puede obtener de las siguientes gráficas:

Sumergencia mínima en función del diámetro y el caudal de entrada

272 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Prueba de bombas Cada producto fabricado de acuerdo a la norma ISO 9001, debe cumplir con unos requerimientos según la política de calidad de Flygt, establecida en unos procedimientos de funcionamiento interno de la empresa. El objetivo de dicho procedimiento es que todos los equipos sean sometidos a una serie de pruebas durante y después de su proceso de fabricación, para asegurar una calidad determinada.

17.1

Pruebas en motores

En los motores de inducción, las pruebas que Flygt lleva a cabo las siguientes: Prueba dieléctrica. Consiste en una medición del aislamiento del motor de acuerdo a la norma IEC 34-1 "Rotating Electrical Machines, Part I": Rating and performance”. La prueba se realiza con una Megger o medidor de aislamiento. Se le aplica una tensión que será 2 x Unominal + 1.000 Voltios, y se mide el aislamiento de cada fase a tierra, teniendo que ser el resultado infinito Ω. El tiempo de la prueba dependerá de la potencia del motor.

Capítulo 17

17

Prueba de resistencia. Se mide la resistencia de cada bobina de cada fase. Las tres resistencias deben ser la adecuadas y, además ser iguales para que el motor esté equilibrado.

Dependiendo del valor de la resistencia, se pueden utilizar varios equipos de medida. La resistencia de una bobina es menor cuanto mayor es la potencia del motor. Para resistencias de un valor que puede llegar a la diezmilésima de Ohmio, se debe utilizar un Comprobación de aislamiento en motores

prueba de bombas 273

FLYGT

puente de Thomson o un doble puente de Winston, con objeto de garantizar la precisión de las medidas. Prueba de funcionamiento en vacío. Se trata de poner el motor en marcha sin aplicarle carga alguna, es decir, girando en vacío. Se toma la medida intensidad a tensión y frecuencia nominal Prueba de funcionamiento en carga. Es básicamente igual a la anterior, pero se le van aplicando cargas sucesivas en un banco de pruebas. Prueba de ruido. Se realiza según la norma ISO 9614 2. Se mide el ruido en dBA a 1 metro de distancia del producto. Prueba de vibraciones. Se trata de medir la velocidad de la vibración en las tres direcciones X, Y, Z, comprobando que no supere un determinado valor (en bombas es normal 7,1 mm/s).

17.2

Pruebas en bombas

En bombas, Flygt realiza las siguientes pruebas: Prueba hidrostática de la voluta. Se somete a la voluta a una presión interior, introduciendo agua y manteniendo una presión de 2 Pmax durante un tiempo determinado, según la norma que se elija. El propósito de la prueba es comprobar que no existen fugas a través del material. Prueba de apriete o estanqueidad. Esta prueba es propia de las bombas de tipo sumergible. Se trata de someter al

Prueba de estanqueidad en motores

conjunto moto-bomba a una presión interior, introduciendo aire y sacándolo posteriormente creando un vacío. Si esta subpresión se mantiene durante un tiempo, el resultado de la prueba es positivo. Flygt dispone para este fin de un equipo denominado NOLEK.

Bancada de pruebas Flygt para bombas sumergibles

Prueba de funcionamiento. Se realiza de acuerdo a la norma ISO 2548 /C, o bien la nueva norma que la sustituye, la ISO 9906 A.

274 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

La prueba ha de realizarse en un banco de pruebas diseñado y montado de acuerdo a la norma mencionada. Se pondrá en funcionamiento la bomba y se probará la misma regulando la pérdida de carga aguas arriba o aguas abajo (dependiendo de la presión), para así obtener el punto de trabajo requerido de la bomba. Se toman uno o varios puntos de trabajo, midiendo el caudal y la presión, y se comparan con la curva característica, comprobando si el resultado se encuentra dentro de la tolerancia que marca la norma. Asimismo, se pueden tomar los parámetros eléctricos y realizar la comparación con los datos teóricos. El banco de pruebas debe tener en cuenta una serie de precauciones para evitar que ocurran distorsiones en las mediciones que se realicen, sobre todo en lo referente a la limpieza y el estado de las Montaje de una bomba conducciones. Una vez Flygt para pruebas obtenidos los datos hidráulicos y eléctricos reales, y comparados con los teóricos, será posible determinar los rendimientos de la bomba, comprobando igualmente, que sean válidos con respecto a la norma aplicada. Para ello se utilizan filtros de bolsa, que eliminan los pequeños sólidos que puedan quedar sedimentados. Mediante un retel para limpiar piscinas se pueden recoger los flotantes.

Filtro de bolsa

Si se introducen en el banco bombas que provienen de medios agresivos como la industria o la minería, puede afectar seriamente al estado de los materiales de la instalación, por ello el pH del agua, y sobre todo la conductividad, son comprobaciones que se realizan periódicamente para evitar oxidaciones y corrosiones dentro del banco que puedan afectar a las mediciones tomadas.

17.3

Medición de la presión

De acuerdo con las normas ISO 2548 /C y ISO 9906 A, la medición de la presión debe hacerse justo a la salida del codo de descarga, exactamente a una distancia equivalente a dos veces el diámetro interior de la tubería.

Tomas de presión en bancadas Flygt

prueba de bombas 275

FLYGT

Al tura de l a toma i gual a 2 di ametros de l a tuberí a

manómetro

manómetro

purgador

purgador

Pl ano de referenci a

Al tura de l a toma i gual a 2 di ametros de la tubería

Situación normalizada de los manómetros de pruebas según ISO 2548

La medición de la presión se realiza a través de unos conductos de φ 8 mm (6 mm de φ interior) de un material plástico transparente como el PVC. Para no correr riesgos en cuanto a posibles obstrucciones de los conductos de medida, Flygt toma 4 muestras en distintas posiciones a 90º una de otra, a lo largo de toda la circunferencia del diámetro de la tubería.

Medida y homogeneización de la presión en las distintas tomas

Las cuatro señales de presión se aúnan en un tubo de acero inoxidable AISI 316 L en el que se ha instalado un manómetro calibrado para inspección visual, y un transmisor de presión electrónico para la toma de datos desde el puesto de control. Este transmisor de presión puede ser de dos tipos: Diferencial. Con lo que existen dos tomas de presión, una la lectura de la presión de bomba, y otra la presión a la cota de aspiración, es decir, la altura de la lámina de agua sobre el eje del impulsor. Absoluto. Solo dispone de una toma de presión para la medida. Habrá que suplementar la distancia entre la posición del transductor del manómetro hasta la lámina de agua.

276 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

17.4

Medición del caudal

Se realiza mediante caudalímetros electromagnéticos. Su principio de operación se basa en la medición de la velocidad media de un fluido conductor de la electricidad en un tubo no magnético. Esta medición se basa en el principio de Faraday, según el cual, la inducción de una tensión entre dos puntos (dos electrodos de medida) extremos de un conductor (la línea de líquido que une los dos electrodos), se mueve cortando las líneas de flujo de un campo magnético creado por una bobina. La medición de la distorsión introducida por el movimiento del fluido no permite determinar la velocidad del mismo. Las ventajas de este sistema de medición de caudal son las siguientes: • • • •

No le afectan ni la densidad ni la viscosidad del fluido. Pérdida de carga nula Cambio de rango sencillo Error aproximado de 1%

Esquema y fotografía de un medidor de caudal electromagnético

Esquema en planta de una bancada de pruebas Flygt

prueba de bombas 277

. FLYGT

En ninguna norma se establece un criterio concreto de la disposición de un caudalímetro electromagnético en el banco de pruebas, si bien, Flygt recomienda que para medir caudal con una precisión aceptable mediante este sistema en un conducto cerrado, se debe dejar 11 veces en tramo recto el diámetro de la brida de entrada al caudalímetro. En su defecto, se deberá dotar el tramo recto de tubería antes del caudalímetro con un direccionador en cruz que posea una longitud de 2 a 3 veces el diámetro, de modo que se evite cualquier posibilidad de rotación del fluido En el mismo sentido, y con objeto de mantener una pérdida de carga aceptable, Flygt recomienda que los codos usados para una aplicación de medida sean de un radio de 1,5 veces el diámetro de la tubería, y que la entrada del caudal en la balsa se efectúe a través de un cono de 9.

17.5

Conos de descarga dentro de la balsa de pruebas

. Medición de la potencia consumida

Se realiza a través de un Vatímetro electrónico de gran precisión. Para obtener una medición de consumo de potencia activa (Kw), es totalmente necesario medir el consumo en amperios en las tres fases. De lo contrario, resulta muy complicado poder calcular el factor de potencia del motor en el punto de trabajo de la bomba en cuestión. No es correcto, según esto, utilizar el factor de potencia nominal del motor como dato fijo. Recordemos que el factor de potencia es función de la carga del motor, así pues el consumo en Amperios se mide en las tres Vatímetro electrónico usado por Flygt fases, con la bomba funcionando en su punto de servicio, realizando la media aritmética acumulada de las tres. Para medir las tres fases se utilizan unos transformadores de señal /5 (0-5 Voltios). El variador de frecuencia nos permite probar la bomba a diferentes velocidades, pero hay que tener en consideración que, como vimos en el capítulo correspondiente, la corriente que produce un variador no tiene exactamente una característica senoidal. Por esta razón, la medición puede resultar confusa, si medimos aguas abajo del variador, pero, por otro lado, no debemos medir nunca aguas arriba, pues de esta manera adicionamos las pérdidas del variador a la propia medición. 278 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Para medir con cierta exactitud la potencia consumida del motor, se deberá hacer una conmutación a red y medir el consumo estando la bomba trabajando en by-pass con el variador y conectada a la Pero sí es red eléctrica. extremadamente importante medir la potencia consumida a diferentes frecuencias, existen en Medición de intensidad en las tres fases el mercado instrumentos de medida que suavizan la señal no senoidal producida por el variador y la asemejan a una señal de red. Entre este tipo de aparatos se encuentra el analizador de potencia.

17.6

Tolerancias permitidas en la prueba

Las tolerancias de medida admisibles para bombas fabricadas en serie, según la norma ISO 2548, son las siguientes: Hadmisible = Hmedida ± 6% Qadmisible = Qmedida ± 8% Padmisible = Pmedida + 8%

(Presión) (Caudal) (Potencia)

En cambio, la nueva norma ISO 9906 es un tanto menos rigurosa. Admite dos escalones diferentes en cuanto a la potencia de la bomba: bombas fabricadas en serie con un motor de accionamiento de 10 Kw o más: Hadmisible = Hmedida ± 7% Qadmisible = Qmedida ± 9% Pmotor admisible = Pmedida + 9% Pbomba admisible = Pmedida + 9% ηadmisible = ηmedido – 7%

(Presión) (Caudal) (Potencia consumida motor) (Potencia consumida bomba) (Rendimiento)

bombas cuyo motor de accionamiento tenga menos de 10 kw: Hadmisible = Hmedida ± 8% Qadmisible = Qmedida ± 10%

17.7

(Presión) (Caudal)

Funcionamiento del banco de pruebas

Para conseguir situar los puntos de trabajo sobre una curva característica, necesitamos crear una pérdida de carga progresivamente que simule la altura manométrica que se le exige a la bomba. Dicha pérdida de carga se crea mediante la regulación fina de una válvula, que puede ser de dos tipos: prueba de bombas 279

FLYGT

• • •

Regulación Abrir-Cerrar con señal 4-20 mA de respuesta de posición. Regulación con posicionador 4-20 mA. En este caso, tendríamos la capacidad de posicionar voluntariamente la válvula mediante una señal previa en el punto que se requiera.

Posicionamiento de la válvula de control

El circuito debe ser lo más estanco posible para evitar pérdidas de presión y fugas de caudal, cerrando a tope todas las válvulas que no intervengan en el proceso. El aire debe desaparecer del circuito para no distorsionar las mediciones que se realicen y obtener lecturas incorrectas. Para ello, se deben disponer una o varias purgas de aire colocadas estratégicamente a lo largo del circuito.

17.8 Puesto de control. Sistema de adquisición de datos El puesto de control puede ser un pupitre de mando que contenga todo el sistema de adquisición de datos. Se puede disponer de un concentrador de señales que puede ser un simple autómata o PLC, para más tarde mostrar los resultados en una pantalla o en un plotter o impresora mediante un ordenador. Desde el PLC o autómata, se distribuyen las señales a dos ordenadores para distintos fines: •

Ordenador de control del banco. Recibe las señales de los caudalímetros, transmisores de presión, posición de válvulas, etc. y manda a las válvulas posicionarse según la pérdida de carga que se desee crear. Es un software de control y adquisición de datos del banco.

Pantalla de programa de Flygt para control de banco

Pantalla de programa de Flygt para la obtención de curvas características reales

280 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Pantalla del programa de Flygt para la obtención de curvas características reales

•

Ordenador de prueba de funcionamiento. Consiste en un programa especial en el que se encuentra la base de datos de las curvas características de las bombas Flygt. Se reciben todas las señales de medición (Presión, caudal, tensión, frecuencia, intensidad y potencia). En este software, podemos escoger la norma según la cual se realizará la prueba (ISO 2548, ISO 9906, DIN 1944, etc.).

La prueba se realiza sobre la misma curva de la bomba a comprobar, lo que nos permite su comparación continua con las mediciones reales. Se puede incluso llegar a construir una curva de funcionamiento real de la bomba.

17.9

Informe de los resultados obtenidos

Finalmente, y según la norma ISO 2548, los resultados de la prueba realizada deben ser expuestos en un informe, que debe ser firmado por ambas partes; es decir, por el fabricante o realizador de la prueba, y por el comprador o su representante. El informe, según la norma, debe contener los siguientes datos: • • • • • • • •

Lugar y fecha de la prueba. Nombre del fabricante, tipo de bomba, número de serie, y año de construcción. Características garantizadas, condiciones de operación durante la prueba. Especificación del motor. Descripción de la prueba realizada, así como la instrumentación usada con la última fecha de calibración. Lecturas observadas. Evaluación y análisis de los resultados. Conclusiones: • Comparación de los resultados obtenidos con las características garantizadas. • Determinar si las garantías que cubren ciertas áreas específicas han sido cumplidas totalmente, parcialmente, o no se han cumplido en absoluto. • Recomendación de si la bomba puede ser aceptada o rechazada y bajo qué condiciones. prueba de bombas 281

FLYGT

• •

Si las características garantizadas no fueron cumplidas totalmente, la decisión final de aceptación de la bomba será por parte del cliente. Declaración de las acciones que surgieron durante la prueba, si se realiza algún acuerdo especial entre fabricante y comprador.

El siguiente informe recoge los resultados de una prueba en la que existe un punto de trabajo para el que se desea probar la bomba. La prueba se realiza sobre la propia curva característica de la bomba.

Informe de prueba de Flygt. Tipo 1

282 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

Otro tipo de prueba consiste en fijar la bomba en distintos puntos de trabajo para poder obtener una curva de funcionamiento real.

Informe de prueba Flygt. Tipo 2

prueba de bombas 283

FLYGT

17.10 Calibración Toda la instrumentación de medida y pruebas debe ser calibrada periódicamente, y comparar los valores con un estándar internacional de medida. De acuerdo con la norma ISO 9001, existe un procedimiento operativo que describe el protocolo de calibración realizado por el fabricante. En este procedimiento se especifica el método para calibrar o para estimar cuando el equipo de medida debe llevarse al fabricante para calibrarlo, así como la cadencia de las comprobaciones de este tipo.

Protocolo de calibración 284 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

ANEXO I: DETERMINACIÓN DE CAUDALES 1.- Determinación del caudal de diseño en sistemas pequeños o domésticos Para la el cálculo simplificado de los caudales de evacuación de viviendas, o pequeños colectivos; se pueden usar las siguientes tablas y gráficos, de la forma descrita en el posterior ejemplo:

1,50 0,50 0,75 0,50 0,75 0,75 1,00 1,50 0,05 l/sm2 0,05 l/sm2

Anexos

Caudales de base unitarios (en l/s) Bañera Ducha Lavabo Bidé Fregadero Pila Urinario Sanitario Tejado por m2 de superficie en plano Pavimento por m2 de superficie

Coeficiente de simultaneidad

DIAGRAMA DE SIMULTANEIDAD 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

50

100

150

200

Número de aparatos anexos285

FLYGT

EJEMPLO PRÁCTICO: Cálculo del caudal (Q) Para un inmueble de 10 apartamentos, compuesto cada uno de ellos por: Un sanitario + dos lavabos + una bañera + un fregadero, y con una superficie (en plano) de tejado de 100 m2, así como un acceso al parking de 200 m2, tendremos un aporte de: Para aguas usadas: 10 20 10 10 10

Sanitarios Lavabos Bañeras Bidets Fregaderos

1,5 0,75 0,75 0,5 0,5

l/s l/s l/s l/s l/s

x x x x x

10 20 20 10 10

= = = = =

15 15 15 5 7,5

l/s l/s l/s l/s l/s

Total = 60 aparatos y 57,5 l/s Para 60 aparatos leemos en la curva anterior un coeficiente de simultaneidad de 0,12. Por tanto el caudal de diseño de aguas usadas será: 57,5 l/s x 0,12 = 6,9 l/s Para aguas pluviales: Superficie de tejado + superficie de acceso al parking 100 m2 + 200 m2 = 300m2 Por tanto, el caudal de diseño de aguas pluviales será: 0,05 l/s m2 x 300 m2 = 15 l/s En el caso de redes unitarias, el caudal de diseño total será la suma de los anteriores: Caudal total : 6,9 + 15 = 21,9 l/s (78,8 m3/h) Selección del diámetro de la canalización de impulsión Sabiendo que: • •

La sección interior de la tubería no debe ser inferior a la sección de paso de la bomba La velocidad del agua en la conducción debe estar comprendida entre 0,6 m/s (para respetar la velocidad mínima para evitar decantaciones) y 1,8 m/s (para evitar pérdidas de carga muy grandes).

Adoptaremos un diámetro interior de 150 mm, que implica una velocidad del agua por su interior de 1,28 m/s; comprendida entre los anteriores valores.

286 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

2.- Cálculo de caudales para sistemas de alcantarillados sanitarios y pluviales Introducción En este anexo se plantea la metodología que debe seguirse para estimar los caudales de diseño de los sistemas de alcantarillados tanto de aguas residuales urbanas como de pluviales. En el caso de que las redes sean separativas, es decir, independientes en función del origen residual o pluvial de las aguas; cada caudal y cada sistema de conducciones, se calculará por separado según los siguientes apartados. Cuando el sistema de colectores sea común, caso de una red unitaria, el cálculo del caudal de diseño se realizará sumando los caudales de residuales y de pluviales calculados previamente por separado.

2.1 .- Cálculo de caudales sanitarios o de aguas residuales. Las aguas residuales urbanas están constituidas por la suma de sus aguas domésticas, industriales, comerciales e institucionales. La estimación del caudal medio se hará sumando las diferentes contribuciones como se describe a continuación.

2.1.1 APORTES DOMESTICOS (AD) El aporte doméstico estará dado por la siguiente expresión:

o

Donde: •

AD: Caudal medio diario de aguas residuales domésticas en litros por segundo (l/s)

•

R: Coeficiente de retorno

•

D: Densidad bruta de población en Habitantes por hectárea (Hab/ha) anexos

287

FLYGT

•

A: Area residencial bruta en hectáreas (ha)

•

P: Población servida (Hab). P = D*A

•

C: Consumo por habitante en litros por habitante y por día (L/hab-día)

Coeficiente de retorno (R) - Es la relación entre el agua limpia consumida y la vertida a la red de saneamiento. Salvo que haya razones que lo justifiquen, se estimará en el 90%. Consumo por habitante (C) - El valor del consumo diario de agua por habitante, conocido como la dotación por habitante, dependerá del nivel socio económico de la población asentada en la zona, según el siguiente cuadro: Nivel Socio - económico

Dotación o consumo por habitante (Lts/hab-día)

Bajo

200

Medio

240

Alto

320

2.1.2 APORTES COMERCIALES (AC) Debido a la población fluctuante de los sectores comerciales durante las horas del día y durante los días de la semana, los valores de densidad máxima de población y de consumo por habitante son difíciles de evaluar. Sin embargo, para propósitos de diseño se adopta un caudal medio diario de 2.0 litros por segundo por hectárea, suponiendo un porcentaje alto de retorno. AC=2.0 L/s.Ha

2.1.3 APORTES INDUSTRIALES (AI) Los aportes industriales deberían determinarse para cada vertido en particular ya que éstos varían muy sustancialmente de acuerdo con el tipo y tamaño de la industria, así como con el grado de recirculación de aguas y los procesos de tratamiento. Sin embargo, para pequeña industria localizada e polígonos de industria ligera, para estimar el aporte industrial puede utilizarse un caudal de 1.5 litros por segundo por hectárea de zona industrial. AI=1.5 L/s.Ha

288 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

2.1.4 APORTES INSTITUCIONALES (AIT) Los aportes de aguas concentradas tales como cuarteles, hospitales, escuelas, hoteles, universidades y establecimientos similares, deberán manejarse como aportes domésticos calculados con una densidad de población de 500 habitantes por hectárea, un consumo de 250 litros por habitante por día y un coeficiente de retorno de 90%, que equivale a adoptar 1.3 litros por segundo por hectárea del área bruta de la concentración especial. AIT= 1.3 L/s.Ha

2.1.5 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES El caudal medio diario de aguas residuales (QMD), estará dado por la sumatoria de los diferentes aportes determinados de acuerdo con lo anteriormente expuesto.

2.1.6

CAUDAL MAXIMO HORARIO

El caudal máximo horario del día máximo (QMH), se determinará multiplicando el caudal medio diario (QMD) por un factor (f) comprendido entre 2 y 3: f=2 para caudales pequeños (menores de 50 l/s); 2 para caudales grandes (superiores a 400 l/s); y la intrapolación entre 3 y 2 para los caudales comprendidos entre 50 y 400 l/s.

2.1.7 APORTES POR AGUAS DE INFILTRACIÓN Y CONEXIONES ERRADAS 2.1.7.1 APORTES DE AGUAS DE INFILTRACION (QI) Los aportes por infiltración dependerán de la localización de las conducciones respecto al nivel freático de la zona y al estado de conservación de las mismas. Se estimará multiplicando el Coeficiente de infiltración de la zona (Ci) por la sumatoria de las longitudes de los distintos tramos de conducción correspondientes a cada zona en km (A).

anexos

289

FLYGT

El coeficiente de infiltración Ci, será el producto del coeficiente de terreno (Ctr), por el factor de corrección en función del estado de las conducciones (Cec). Éstos serán los siguientes: 1.- Coeficiente de terreno Ctr: Zonas de Alta infiltración (A) - Son aquellas áreas planas o llanos cuya diferencia de nivel con las laderas o lomas cercanas (a menos de 1 km) sea superior a 100 metros o estén en cercanías de un río, lago, pantano o similar. El coeficiente de terreno se estima en estas zonas en 4 litros por segundo por km de conducción. Zona de Media infiltración (M) - Son aquellas áreas planas o llanos cuya diferencia de nivel con las laderas o lomas cercanas (a menos de 1 km) sea menor de 100 metros y no estén en las cercanías de un río, lago, pantano o similar. El coeficiente de terreno se estima en estas zonas en 3 litros por segundo por km de conducción Zonas de Baja infiltración (B) -Son todas aquellas zonas con pendientes superiores al 5% o con niveles freáticos especialmente profundos, y por tanto alejados en más de 10 m de la cota de las conducciones. El coeficiente de terreno para estas zonas deberá ser de 2 litros por segundo por km de conducción. 2.- Factor de corrección en función del estado de las conducciones: Éste se estima en los siguientes términos: 1.- Conducciones nuevas y con sellado fiable: Cec = 0,4 2.- Conducciones nuevas y con sellado dudoso: Cec = 0,8 3.- Conducciones viejas pero en un estado aceptable: Cec = 1 4.- Conducciones viejas y en mal estado: Cec = 1,4

2.1.7.2 APORTES POR CONEXIONES ERRADAS (QCE) Aunque se trate de redes separativas de residuales y de pluviales, frecuentemente aparecerán conexiones erradas, las cuales corresponden básicamente a la incorporación de los desagües pluviales (bajantes de los tejados y los patios) no controladas a la red sanitaria; en estos casos, se debe evaluar tales caudales y adicionarlos al caudal de diseño de aguas negras. En general, para los sistemas de alcantarillados separados, las redes internas son proyectadas en forma independiente desde el interior de las edificaciones, por tal razón no debería presentarse aportes por conexiones erradas en los colectores 290 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

sanitarios. Sin embargo, como medida preventiva del diseño se debe considerar como mínimo los siguientes aportes:

Sector (S)

Coeficiente de conexiones erradas (CCe)

(1): Residencial

0,001 L/s por hab

(2): Comercial, institucional o Industrial

0,20 L/s por Ha

El caudal por conexiones erradas (Qce) se determinará multiplicando el coeficiente de conexiones erradas (Cce) por la población (P) en las zonas residenciales; o por la superficie en las zonas comerciales, institucionales o industriales.

2.1.8 CAUDAL DE DISEÑO El caudal de diseño de los colectores de aguas residuales (Qn) se obtendrá sumando al caudal máximo horario del día máximo, los aportes por infiltración y por conexiones erradas así:

Donde: Qn: Caudal de diseño en litros por segundo QMH: Caudal máximo horario en litros por segundo Qi: Caudal debido a infiltraciones en litros por segundo Qce: Caudal por conexiones erradas en litros por segundo Con independencia de los anteriores cálculos, para núcleos urbanos pequeños, se puede usar el siguiente gráfico para la estimación del caudal de bombeo de residuales de una población en función de la población y de la dotación:

anexos

291

FLYGT

C a p a c id a d d e b o m b e o e n f u n c ió n d e la p o b la c ió n y d e la d o t a c ió n .

Capacidad del bombeo (l/min)

3500 D o t a c ió n : 4 0 0 l / p e r s .d ía

3000 2500

D o t a c ió n : 3 5 0 l / p e r s .d ía

2000

D o t a c ió n : 3 0 0 l / p e r s .d ía

1500

D o t a c ió n : 2 5 0 l / p e r s .d ía

1000

D o t a c ió n : 2 0 0 l / p e r s .d ía

500 0 0

500

1000 N ú m ero d e p erso n as.

292 bombas sumergibles y estaciones de bombeos

1500

2000

FLYGT

2.2 Cálculo de caudales pluviales o de drenaje. En este capítulo se plantea la metodología que debe utilizarse para estimar los caudales de diseño de los sistemas de drenaje urbano, o de pluviales.

2.2.1 Evaluación del caudal de diseño La estimación de los caudales se hará utilizando las siguientes expresiones:

Donde: C: Coeficiente de escorrentía, número adimensional que se debe estimar de acuerdo con lo especificado en el siguiente apartado. A: Área de drenaje en hectáreas (ha). I: Intensidad de la lluvia en litros por segundo por hectárea (l/s.ha). Este dato se obtendrá consultando las estadísticas pluviométricas disponibles, en concreto los de máxima precipitación puntual o aguacero, y de duración media de la tormenta. Habida cuenta las grandes diferencias pluviométricas entre zonas, para grandes sistemas de drenajes es importante identificar este dato de forma fiable; sólo en aquellos casos en los que no sea posible acceder a datos los reales, se puede estimar una intensidad media en 0,05 l/s.m2. Para su determinación, se tomará el dato más desfavorable para un periodo histórico o de retorno comprendido entre 2 y 25 años en función del tamaño de la cuenca de drenaje; y por tanto de la responsabilidad del sistema colector frente a riegos de inundación. Esta relación entre la cuenca y el periodo de retorno se concreta más adelante. En el caso de que el sistema colector sea muy extenso; y por tanto con grandes distancias entre unos puntos de la red y otros; no se debe aplicar toda la superficie de drenaje en la anterior fórmula para el cálculo de los caudales de diseño; ya que no coincidirán en el mismo tiempo como consecuencia del retraso existente entre los caudales lejanos con respecto a los cercanos. En estos casos, se calcularán los tiempos de transporte para los distintos caudales en función de la distancia y las pendientes de los distintos tramos; y se sumarán todos aquellos cuyos tiempos de llegada al bombeo sean inferiores a la duración media estimada de la tormenta en un periodo el periodo de retorno considerado. Para el cálculo de los tiempos de transporte de los distintos caudales, se debería usar la fórmula de Manning; si bien, se puede hacer una aproximación aplicando a un aporte tipo para cada tramo velocidades entre 0,5 y 2,5 m/s en función de las pendientes y el caudal de la avenida. anexos

293

FLYGT

COEFICIENTE DE ESCORRENTIA (C) El coeficiente de escorrentía es función del tipo de suelo, la impermeabilización de la zona, la pendiente del terreno, y otros factores que determinan la fracción de lluvia que se convierte en escorrentía. Para un área metropolitana estándar se adoptarán los siguientes valores: Sector y Coeficiente de Escorrentía (C) •

Comercial: 0.90

•

Desarrollo residencial con casas unifamilires contiguas y predominio de zonas duras: 0.80

•

Desarrollos residenciales con bloques multifamiliares contiguos y con zonas duras entre ellos: 0.70

•

Desarrollos residenciales con casas unifamiliares contiguas y predominio de jardines: 0.60

•

Residencial con casas rodeadas de jardines: 0.50

•

Desarrollos residenciales con bloques multifamiliares apreciablemente separados: 0.50

•

Áreas recreativas con predominio de zonas verdes y cementerios tipo jardines: 0.30

Para las áreas industriales, institucionales o para las comerciales y residenciales que incluyan áreas clasificables en más de un sector, el coeficiente de escorrentía del área en estudio se estimará como el promedio ponderado dado por la siguiente expresión:

Determinación del Período de Retorno (P) de cálculo. A efectos de diseño, el período histórico, o de retorno para el cual se ha determinado el caso de lluvia más desfavorable, se fijará en función de las siguientes características del área de drenaje: •

Para tramos iniciales con áreas tributarias menores de 2 hectáreas: 2 años

294 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

•

Para tramos del sistema con áreas tributarias comprendidas entre 2 y 20 hectáreas, donde el caudal que exceda al diseño tenga la posibilidad de evacuación natural por alguna ladera o vaguada: 5 años

•

Para tramos del sistema con áreas tributarias comprendidas entre 2 y 20 hectáreas, donde el caudal que exceda al de diseño no tenga la posibilidad de evacuación natural por alguna ladera o vaguada: 10 años

•

Para tramos del sistema con áreas tributarias comprendidas entre 20-200 hectáreas, donde el caudal que exceda al de diseño no tenga la posibilidad de evacuación natural por alguna ladera o vaguada: 25 años

•

Para tramos del sistema con áreas tributarias mayores de 200 hectáreas, donde el caudal que exceda al de diseño no tenga la posibilidad de evacuación natural por alguna ladera o vaguada: 50 años

anexos

295

FLYGT

ANEXO II: TABLAS DE PÉRDIDAS DE CARGA Para el cálculo de las pérdidas de carga de una conducción, TFB-Flytg recomienda el uso del programa Fyps adjunto a este libro. También se pueden determinar manualmente calculando las pérdidas lineales en las conducciones, y añadiéndole las pérdidas puntuales en los distintos elementos y accesorios. •

Para la determinación de las pérdidas puntuales, se pueden usar o las tablas recogidas en este anexo, o el monograma de longitudes equivalentes, también facilitado a continuación

•

Para la determinación de las pérdidas de carga lineales, se puede aplicar las fórmulas descritas en el capítulo de pérdidas de carga, extrayendo el valor λ, o coeficiente de rozamiento del diagrama de Moody o de las tablas adjuntas. También, como simplificación aplicable a la mayoría de los casos, régimen turbulento y conducciones comerciales, se puede usar la siguiente gráfica:

Ábaco para el cálculo simplificado de pérdidas de carga (m/km) en conducciones comerciales, en función del caudal (l/s), la velocidad (m/s),ó el diámetro interior de la conducción (mm) 296 bombas sumergibles y estaciones de bombeo

FLYGT

1.- Coeficientes de pérdidas de carga puntuales SALIDA BRUSCA DE UN DEPOSITO δ/d 0,008 0,016 0,024 0,032 0,04 0,048

l/d ≥ 0,5 0,3

0,85 0,75 0,65 0,57 0,53

0,2

0,81 0,70 0,67 0,56 0,52

0,1

0,75 0,65 0,58 0,54 0,51

0,05

0,68 0,58 0,54 0,52

0,02

0,62 0,55 0,52

0,01

0,58 0,53 0,51

0,005

l

0,88 0,78 0,68 0,60 0,54 0,51

d δ

J =ζ

0,55 0,51

v

v2 2g

SALIDA SUAVE DE UN DEPOSITO r/d

ζ

0

0,5

0,02

0,37

0,04

0,26

0,08

0,15

0,12

0,09

0,16

0,06

>0,2