ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES

Transcripción

1 ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES INGENIERÍA SANITARIA II CIV 3239 B M.Sc. Ing. Amilkar Ernesto ILAYA AYZA GENERALIDADES Una estación de bombeo queda constituida por el conjunto de bombas y equipos auxiliares necesarios para la impulsión de aguas, ya sean pluviales o residuales. 1

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3 GENERALIDADES Según la NB688 una estación de bombeo es el conjunto de estructuras, instalaciones y equipos que permiten elevar el agua de un nivel inferior a otro superior, haciendo uso de equipos de bombeo. GENERALIDADES Se justifica la construcción de una estación de bombeo cuando: Se tienen terrenos planos y extensos, donde los colectores pueden llegar a profundidades mayores a los 4 metros. Para elevar las aguas residuales de area que tienen cotas mas bajas a areas con elevaciones mayores. Para permitir que se realice la descarga por gravedad de las aguas residuales de colectores y emisarios a las plantas de tratamiento o a cuerpos receptores. 3

4 UBICACIÓN Deben tomarse en cuenta los siguientes factores: Condiciones del sitio Drenaje del terreno Menor nivel geométrico (altura media) entre el punto de succión y punto de bombeo Trayecto más corto de la tubería de bombeo Cotas de acceso superiores a las cotas de inundación, o en caso contrario, con posibilidad de protección adecuada Estabilidad geotécnica del terreno Accesibilidad ininterrumpida, no obstante existan inundaciones u otras dificultades, a través de medios prácticos de transporte, a no ser que en tales situaciones sea permitido que la estación quede fuera de servicio UBICACIÓN Dimensiones del terreno suficientes para satisfacer las necesidades actuales y futuras Facilidad de suministro adecuado de energía y disponibilidad de otros servicios (agua potable, teléfonos, etc.) Facilidad de vertimientos de aguas residuales o pluviales en condiciones eventuales e interrupción de bombeo Menor movimiento de tierra Integración de la obra con el paisaje circundante Propiedad y facilidad de adquisición del terreno Manejo de olores Factibilidad de adquisición de predios o terrenos 4

5 COMPONENTES Pueden clasificarse atendiendo al caudal y altura a la que impulsa las aguas, características constructivas o fuente de energía utilizada para su funcionamiento, aunque en todas ellas existen una serie de elementos comunes tales como: Cámara de aspiración, cuya función es la de almacenar el agua para su posterior bombeo. Cámara seca, donde se alojan los distintos equipos para la impulsión de las aguas residuales, esto es, bombas, accionamientos, controles y otros. Sistema de bombeo, constituido por las bombas y sus respectivos accionamientos, bien mediante motores eléctricos o motores de combustión interna diesel u otros. Dentro del sistema de bombeo incluimos las tuberías de aspiración, descarga y válvulas necesarias. COMPONENTES Instrumentación para el correcto control de los equipos y detección de posibles averías. Son habituales detectores de temperatura, vibración, sentido de rotación inverso y otros. Es conveniente que la señal enviada por todos los sensores se monitoree en una sala de control donde puedan tomarse las acciones oportunas para el adecuado funcionamiento de la planta. Demás instalaciones de alimentación eléctrica, calefacción o ventilación requeridas para las operaciones de la estación de bombeo. 5

6 CÁMARA DE ASPIRACIÓN En la cámara de aspiración se almacena el agua residual para su posterior impulsión. Su correcto diseño es fundamental para el adecuado funcionamiento de la bombas que aspiran el agua residual acumulada. Algunos de los problemas debidos a un diseño incorrecto de la cámara de aspiración son, entre otros, la pérdida de rendimiento de las bombas, vibraciones y acumulación de sedimentos en el fondo de la cámara. 6

7 CÁMARA DE ASPIRACIÓN Las dimensiones de la cámara permitirán acumular un volumen suficiente como para que los tiempos de parada de las bombas sean los adecuados y el número de arranques no resulte excesivo. Téngase en cuenta que en caso de que las bombas estén accionadas por motores eléctricos, la intensidad de corriente demandada por éstos es considerablemente mayor durante el arranque que durante el funcionamiento en régimen de operación, por lo que limitar el número de arranques redundará en un consumo energético menor. A título orientativo, el tiempo entre arranques suele oscilar entre 10 y 30 minutos. CÁMARA DE ASPIRACIÓN Deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones en el diseño de la cámara de aspiración: La submergencia o cota de agua existente sobre la entrada a la tubería de aspiración, deberá ser la suficiente como para que el NPSH disponible sea superior al requerido por la bomba, evitando problemas de cavitación que derivarían del incumplimiento de esta condición. Del mismo modo, deberá asegurar que no se formen vórtices, consecuencia de la prerrotación del fluido en la cámara. Los vórtices son negativos para el funcionamiento de las bombas por ser causa de entrada de aire en las mismas. No habrá zonas de remanso del fluido, pues ello facilitaría el sedimento de los sólidos en suspensión y su acumulación en el suelo de la cámara. 7

8 CÁMARA DE ASPIRACIÓN La energía cinética del fluido debe ser lo menor posible cuando éste alcance la boca de aspiración de las bombas. Ello puede conseguirse mediante paredes verticales situadas frente a la tubería de entrada a la cámara. Evitar formas que provoquen turbulencias e impidan que el agua sea conducida de forma regular a la aspiración de las bombas. La cámara estará dotada de un venteo para los gases disueltos en las aguas residuales. 8

9 ESTRUCTURAS DE INGRESO A la entrada de la cámara de aspiración, es conveniente colocar dispositivos de desbaste que permitan una separación de los sólidos de mayor tamaño disueltos en el agua. Entre estos dispositivos destacan: Rejillas, automáticas o de limpieza manual, colocadas éstas últimas en conductos de by-pass para ser utilizadas cuando las automáticas se encuentran fuera de servicio. Dilaceradoras para cortar y reducir el tamaño de sólidos, de modo que puedan ser impulsados por las bombas sin deteriorarlas. CAMARA SECA La cámara seca aloja las bombas, tuberías de aspiración e impulsión, así como la valvulería y demás dispositivos necesarios para la impulsión de las aguas residuales. Normalmente se sitúa contigua a la cámara de aspiración 9

10 CAMARA SECA Las bombas pueden colocarse en posición vertical u horizontal, según el tipo seleccionado. La disposición vertical permite un aprovechamiento más eficiente del espacio disponible aunque la altura de la cámara deberá ser mayor. El motor podrá situarse encima de la bomba apoyado sobre un soporte o bien colocarse en un piso inmediatamente superior de la cámara seca, dispuesto para tal fin. Esta segunda opción supone un coste de construcción mayor pero presenta indudables ventajas de cara al mantenimiento posterior de las bombas, pues no será necesario desmontar el motor cuando se requiera efectuar reparaciones en las mismas. TUBERÍAS DE ASPIRACIÓN E IMPULSIÓN La velocidad en la tubería de aspiración debe tomar valores aproximados entre 1,1 y 1,8 m/s. por lo que frecuentemente se tendrá que emplear un reductor excéntrico para acoplar la tubería a la brida de aspiración de la bomba. Es necesario incluir una válvula de compuerta con el fin de poder aislar la bomba para realizar las tareas de mantenimiento y reparación. El extremo de la tubería consta de una campana de aspiración que facilita una circulación regular del agua a la bomba. 10

11 TUBERÍAS DE ASPIRACIÓN E IMPULSIÓN Las velocidades del fluido en la tubería de impulsión son superiores a las de aspiración y deben situarse entre a 1,8 y 3,5 m/s. Como se ha indicado anteriormente, el diámetro de esta tubería debe ser mayor que el de la brida de descarga de la bomba, lo que hace necesario el empleo de juntas de ampliación. La tubería de impulsión debe constar además, de una válvula de compuerta que junto con la situada en la tubería de aspiración, permita aislar la bomba en caso de ser necesario por motivos de mantenimiento o reparación. TUBERÍAS DE ASPIRACIÓN E IMPULSIÓN También debe haber una válvula de retención que impida que la tubería se quede vacía cuando las bombas dejen de funcionar. El tramo de la tubería de impulsión conectado a la brida de descarga de la bomba debe estar colocado horizontalmente para evitar la sedimentación de los sólidos en suspensión en el interior de la bomba. 11

12 INSTRUMENTACIÓN La instrumentación incluida dentro de una estación de bombeo tiene fundamentalmente dos propósitos: Enviar al sistema de control las señales necesarias para que se produzca la entrada secuencial en funcionamiento de las distintas bombas, según se vayan alcanzando determinados niveles de agua en la cámara de aspiración. Proporcionar información en cada momento acerca del estado de funcionamiento de la instalación, esto es, apertura de válvulas, temperatura de los cojinetes de las bombas y de los motores eléctricos, dispositivos detectores de giro inverso, etc. UNIDADES DE BOMBEO Las bombas generalmente utilizadas en los sistemas de abastecimiento de agua y de saneamiento son las centrífugas, por la cual esta guía tratará exclusivamente de ellas. 12

13 UNIDADES DE BOMBEO Las bomba centrifuga consiste de un elemento móvil, denominado impulsor, donde un cierto número de alabes, dirigen el movimiento de las partículas de liquido. El impulsor gira en una cámara cerrada denominada caja o carcasa debido a la energía conferida por un motor, que puede ser eléctrico o de combustión interna. El liquido contenido entre los alabes, por efecto de la fuerza centrífuga, incrementa su energía cinética la cual se transforma parcialmente en energía potencial en la carcasa de la bomba. Para la conversión de velocidad en presión, se emplean los difusores, las volutas o los tazones, dependiendo del diseño de la bomba. Cuando se emplea un difusor, este consta de varios canales de sección variable que rodean al impulsor, fabricados en una sola pieza 13

14 TIPOS DE IMPULSORES TIPOS DE IMPULSORES 14

15 DISPOSICIÓN La disposición puede ser horizontal o vertical. La opción vertical presenta la ventaja de ocupar menos espacio que la horizontal DISPOSICIÓN 15

16 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS Las curvas características de una bomba permiten conocer su comportamiento. Una bomba centrífuga que opera a velocidad constante, puede suministrar un caudal variable que crece al disminuir la altura. La relación entre caudal y altura manométrica, caudal y rendimiento o caudal y potencia absorbida queda reflejada en las curvas características de la bomba. Las curvas características de una bomba son suministradas por el fabricante según ensayos realizados en el banco de pruebas. El conocimiento de estas curvas es imprescindible para la adquisición de una bomba y para la determinación de posibles anomalías en su funcionamiento. 16

17 DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE BOMBEO El punto de funcionamiento de una bomba depende de las características de ésta y de las características del sistema por el que va a tener lugar la impulsión del fluido. Gráficamente, el punto de funcionamiento viene determinado por la intersección de la curva característica H-Q de la bomba, con la curva resistente de la instalación 17

18 DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE BOMBEO hf H 18

19 CAVITACIÓN La cavitación se produce cuando la presión absoluta a la entrada del rodete disminuye por debajo de la presión de vapor del fluido que se bombea. Ello ocasiona la formación de burbujas de vapor a la entrada del impulsor, que desaparecen por medio de implosiones, a medida que el fluido se traslada a zonas de mayor presión, a su paso por los álabes del rodete. CAVITACIÓN El fenómeno es enormemente dañino para el impulsor pues acaba por deteriorarlo seriamente. Además, se producen vibraciones, ruido y pérdida de rendimiento en las bombas con cavitación. 19

20 CAVITACIÓN Para determinar si la bomba objeto de estudio va a presentar problemas de cavitación, se utilizan dos parámetros que pasamos a describir: Altura neta positiva de aspiración disponible, NPSHd (siglas extraidas del término inglés Net Positive Suction Head). Altura neta positiva de aspiración requerida, NPSHr. NPSH disponible El NPSH disponible, es la altura de aspiración por encima de la presión de vapor del agua expresada en m, disponible a la entrada del rodete. Para bombas trabajando en aspiración, la altura disponible en un punto e a la entrada del rodete es la existente en la superficie libre del líquido (p a /γ) a la que habrá que restar la altura de aspiración h a y la pérdida de carga en la tubería de aspiración h r : 20

21 NPSH disponible si a la altura disponible le restamos la altura correspondiente a la presión de vapor del agua p v /γ, tendremos la altura neta disponible en la aspiración, es decir: NPSH requerido Cuando el fluido circula desde la entrada a la bomba hasta el punto del impulsor en que empieza a recibir energía, se produce una pérdida de carga que puede ocasionar problemas de cavitación si se desciende por debajo de la presión de vapor del fluido. De este modo, el NPSH requerido es la altura neta que necesita la bomba para que no se produzca cavitación. Los valores de NPSH requerido (NPSHr) se determinan en banco de pruebas y deben ser facilitados por el fabricante. 21

22 CONDICIÓN DE NO CAVITACIÓN ALTURA MÁXIMA DE ASPIRACIÓN La altura de aspiración de un sistema de bombeo está limitada por el fenómeno de la cavitación. Por ello, en primer lugar estableceremos la condición que debe cumplirse para que ésta no se produzca y a partir de aquí se determinará la altura máxima de aspiración. Para que no se produzca cavitación, el NPSH disponible (NPSHd), debe ser mayor que el requerido por la bomba (NPSHr), de lo contrario la presión del fluido descendería por debajo de su presión de vapor y se produciría vaporización. ACOPLAMIENTO DE BOMBAS Las bombas pueden acoplarse en paralelo o en serie. Varias bombas trabajan en paralelo cuando tienen una tubería de impulsión común (para la aspiración, cada una tiene su propia tubería) y existe un funcionamiento simultáneo de dos o más de ellas. En el acoplamiento de bombas en serie, la impulsión de una bomba es la aspiración de la siguiente. 22

23 ACOPLAMIENTO EN PARALELO Las bombas acopladas en paralelo bombean el fluido a una tubería de impulsión común a todas ellas. La curva característica H = H(Q) del conjunto se obtiene tomando una altura determinada y sumando los caudales de cada una de las bombas. ACOPLAMIENTO EN PARALELO 23

24 ACOPLAMIENTO EN PARALELO donde Q 1 representa el caudal que impulsaría una sola bomba si no estuviera acoplada con ninguna otra y Q T es el caudal que proporcionan dos bombas iguales acopladas en paralelo. Se observa que Q T < 2Q 1. 24

25 ACOPLAMIENTO EN PARALELO Obsérvese, que el caudal impulsado por dos o más bombas operando en paralelo no es la suma de los caudales de cada una de las bombas funcionando por separado, sino un caudal inferior que será tanto menor cuanto más pronunciadas sean las pendientes de la curva de funcionamiento de las bombas acopladas y la curva de pérdidas del sistema. ACOPLAMIENTO EN SERIE Dos o más bombas se encuentran acopladas en serie cuando la descarga de una bomba es la aspiración de la siguiente. La curva característica de todas ellas operando en serie, puede obtenerse sumando las alturas para un mismo caudal, a partir de la curva característica de cada bomba por separado 25

26 Este tipo de configuración no es habitual en la impulsión de aguas residuales. El modelo es aplicable al caso de bombas multietápicas con varios rodetes en serie. PASOS PARA LA ELECCIÓN DE UNA BOMBA Los pasos básicos para la elección de cualquier tipo de bomba son: Elaborar un diagrama de la disposición de bomba y tuberías. Determinar el caudal de bombeo. Calcular la altura manométrica total. Estudiar las condiciones del liquido Elegir la clase y tipo de bomba. 26

27 CAUDAL DE BOMBEO Para la selección de bombas en proyectos de aguas residuales, se deben tener en cuenta los siguientes caudales de la red de alcantarillado: caudal máximo del proyecto, caudal promedio inicial, caudal promedio del proyecto y caudal mínimo inicial. Las bombas deben tener la capacidad de impulsar el caudal máximo de proyecto. Los caudales promedio, inicial y de proyecto son importantes para seleccionar equipos que funcionen lo más eficiente posible para los caudales medios. Los caudales mínimos tienen importancia para dimensionar la tubería de impulsión con una velocidad que evite la deposición de sólidos. ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL La altura manométrica total Ht es aquella contra la que trabajará la bomba durante su funcionamiento, comprende los siguientes ítems: alturas estáticas de succión e impulsión, las perdidas por rozamiento, la altura de velocidad, pérdidas de cargalocales y la diferencia de presión existente sobre el líquido en el lado de la succión y en el lado de la impulsión. 27

28 ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL Donde, Ht = Altura manométrica total (m). hs = Altura estática de succión (m). hi = Altura estática de impulsión (m). hfs = Pérdida de carga por rozamiento en la succión (m). hfi = Pérdida de carga por rozamiento en la impulsión (m). ΣhLs = Pérdida de carga local en la succión (m). ΣhLi = Pérdida de carga local en la impulsión (m). Vi = Velocidad en el conducto de impulsión (m/s). Hg = Altura estática total = hi ± hs. ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL 28

29 RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA La eficiencia de una bomba se mide en base al caudal que se descarga contra una altura dada y con un rendimiento determinado. El rendimiento de la bomba viene dado por: Donde: Pi = Potencia absorbida, HP. γ = Peso especifico del líquido a ser bombeado. Q = Caudal, m3/s. Ht = Altura manométrica, m. η = Rendimiento de la bomba RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA Para determinar la potencia absorbida por el motor, se divide la potencia absorbida por la bomba entre la eficiencia del motor: Donde, P m = Potencia del motor η m = Rendimiento de motor. Los rendimientos de las bombas generalmente varían entre 60% y 85%. 29