ANEXO 5. CÁLCULOS HIDRÁULICOS

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1 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS ANEXO 5. CÁLCULOS HIDRÁULICOS 0983P0R1-AN doc

2 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS ANEXO 5. CÁLCULOS HIDRÁULICOS 1. INTRODUCCIÓN 2. CAUDAL DE DISEÑO 3. CÁLCULOS 3.1. COLECTORES DE GRAVEDAD 3.2. COLECTOR DE IMPULSIÓN 4. RESULTADOS 0983P0R0-AN doc A05-2

3 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS 1. INTRODUCCIÓN Seguidamente se presenta el cálculo de los colectores, que se dividen en cálculos en régimen de lámina libre, para los colectores de gravedad, y cálculo en carga para el colector de impulsión. Las bases de cálculo para cada tipo de colector se detallan a continuación, y se han tomado teniendo en cuenta el máximo caudal de aportación. 2. CAUDAL DE DISEÑO Dado que la red del Polígono SUR-35 es red separativa, el caudal de diseño será exclusivamente el procedente de las aguas residuales procedentes de la industria local instalada, y justificada en los Anexos anteriores. Así pues, del caudal medio de aguas residuales se obtendrá el caudal medio de diseño del tramo de gravedad, obtenido en el Anexo núm. 3 del presente documento. ACTUAL SUR-35 FUTURO CAUDAL MEDIO DIARIO (m 3 /día) SUR SUR SUR-34+SUR-27 CAUDAL MEDIO INSTANTANEO (l/s) CAUDAL MEDIO DE DISEÑO (l/s) ,88 218,80 8,86 88,60 12,01 120, ,87 208,7 CAUDAL TOTAL ,75 427, P0R0-AN doc A05-3

4 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS 3. CÁLCULOS 3.1. COLECTORES DE GRAVEDAD Material El material seleccionado para los colectores de gravedad ha estado el polietileno PE corrugado, de doble pared, con diámetros DN entre 500 y 630 mm, con la pared interna lisa de color azul para facilitar la inspección visual, y la pared exterior corrugada de color negro, para conducciones enterradas de aguas residuales sin presión, con clase de rigidez anular SN 4 (para 4 kn/m 2 ), medida según norma UNE- EN-ISO 9969 y con el marcado especificado en la norma pren 13476, en color blanco, tipo MAGNUM de la casa FUTURA SYSTEMS o similar. Las barras DN 500 mm (diámetro interior 433 mm) se presentarán con manguito presoldado en un extremo del tubo y una junta estanca, fabricada en EPDM conforme a la norma europea 681-1, para ponerla en la primera corrugación del tubo donde se introducirá el manguito, para garantizar una mejor estanqueidad hidráulica. Las tuberías de DN 630 mm (diámetro interior 535 mm) deberán estar fabricadas con el sistema de unión abocardado en línea y tener una junta estanca fabricada en EPDM conforme a la norma europea 681-1, para colocarla en la hendidura hecha en la corrugación para este propósito. Para garantizar una mayor uniformidad entre la tubería y el lecho de la zanja, uno de los extremos del tubo presentará una reducción del diámetro para la inserción en l extremo abocardado Condicionantes Diámetro mínimo necesario del colector: 500 mm. El grado máximo de llenado de la tubería no pasará del 75% de su sección útil, a efectos de cálculo. El caudal máximo de diseño es el correspondiente a una dilución 10: Dimensionado El dimensionado de los colectores de gravedad se ha realizado mediante la fórmula de cálculo de Manning-Strickler. Donde: Q = Caudal (m 3 /s) S = Sección mojada (m 2 ) R = Radio hidráulico (m) J = Pendiente (m/m) K = Coeficiente de rugosidad (adimensional) Valor contemplado para el PE: K=110 La búsqueda del diámetro del colector y pendiente a adoptar ha seguido la metodología expuesta anteriormente, es decir, buscando un diámetro que con una pendiente dada pueda circular el caudal medio a una velocidad inferior a 3 m/s y superior a las velocidades que podrían provocar sedimentaciones. También se comprobará que para el caudal de diseño no se sobrepase, en ningún caso, el 75 % de la sección hidráulica de la tubería. Finalmente, hace falta verificar que no existan problemas de sedimentación. Los arrastres provocados por altas velocidades en colectores, producen degradación en las juntas y soleras de los tubos de saneamiento. Por otro lado, la velocidad de circulación debe ser suficientemente alta para que permita la autolimpieza de la red. Es decir, que pueda arrastrar la materia que se sedimenta en el fondo de los colectores, constituida fundamentalmente por arenas y por materia en descomposición. Se considera que no se tendrán problemas de sedimentación si se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones: a) La velocidad de circulación de un caudal igual a un décimo del caudal a sección llena es del orden de 0,60 m/s o superior. b) La velocidad de circulación de un caudal igual a un centésimo del caudal a sección llena es del orden de 0,30 m/s o superior. A continuación se adjuntan los resultados obtenidos realizando los cálculos según los criterios mencionados anteriormente y a partir del caudal de diseño; teniendo en cuenta que la pendiente se determina a partir de la orografía del terreno. Q = K S R 2/3 J 1/2 0983P0R0-AN doc A05-4

5 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS Eje de colector: Gravedad 1 Longitud : (PK 0+000,00 al PK 0+540) 540 metros Diámetro (Exterior/Interior): 500 / 433 Material: PE (K s =110) Pendiente: -0,55 % Eje de colector: Gravedad 1 Longitud : (PK 0+540,00 al PK 0+812,54) 272,54 metros Diámetro (Exterior/Interior): 630 / 535 Material: PE (K s =110) Pendiente: -0,65 % Tipo Caudal Caudal (l/s) Calado (mm) Velocidad (m/s) Llenado (%) Medio 21,88 Diseño (10:1) 218,80 Máximo (75 %) 229,32 Sección llena 272,84 Caudal máximo (0,938 ) 293,50 Estudio de la posible sedimentación 0,1 Q sección llena 27,28 0,01 Q sección llena 2,73 82,9 1,110 13,3 293,5 2,060 72,1 304,0 2,076 75,0 433,0 1, ,0 406,2 2,046 97,4 92,5 1,185 >0,6 15,6 30,6 0,595 >0,3 3,1 Tipo Caudal Caudal (l/s) Calado (mm) Velocidad (m/s) Llenado (%) Medio 42,75 Diseño (10:1) 427,50 Máximo (75 %) 438,20 Sección llena 521,39 Caudal máximo (0,938 ) 560,86 Estudio de la posible sedimentación 0,1 Q sección llena 52,14 0,01 Q sección llena 5,21 103,6 1,399 13,5 368,6 2,588 73,4 375,6 2,599 75,0 535,0 2, ,0 501,8 2,561 97,4 114,3 1,483 >0,6 15,6 37,8 0,745 >0,3 3,1 0983P0R0-AN doc A05-5

6 ANEXO 5. CÀLCULOS HIDRÁULICOS 3.2. COLECTOR DE IMPULSIÓN Material El material seleccionado para el colector de impulsión ha estado el polietileno de alta densidad liso PEAD tipo PE 100, de diámetro DN 400 mm de PN 10 bar, y la pared exterior lisa de color negro y banda azul, para conducciones enterradas de aguas residuales a presión, según norma UNE 53966, de la casa UPONOR RESIPLAST o similar Condicionantes El caudal máximo de diseño es el correspondiente a una dilución 3:1. La velocidad deberá ser del orden de 1 a 1,5 m/s Dimensionado El dimensionado de estos colectores se realiza conjuntamente con el dimensionado de las bombas. 4. RESULTADOS EJE GRAVEDAD (812,54 m) Colector por gravedad (Pk a Pk 0+540,00). - Plano núm. 3 hoja 1 y 2 de 6 - PE de 500 mm - Pendiente... -0,55 % - Caudal medio...21,88 l/ s - Caudal de diseño...218,80 l/ s - Pozos de registro: en SUR-35 a 10 Colector por gravedad (Pk 0+540,00 a Pk 0+812,54). - Plano núm. 3 hoja 3 de 6 - PE de 630 mm - Pendiente... -0,65 % - Caudal medio...42,75 l/ s - Caudal de diseño...427,50 l/ s - Pozos de registro: 10 a 14 EJE IMPULSIÓN (849,05 m) Colector de impulsión (Pk a Pk 0+849,05). - Plano núm. 3 hoja 4, 5 y 6 de 6 - PEAD de 400 mm - Caudal medio...42,75 l/ s - Caudal de diseño...128,25 l/ s - Arquetas desagüe pk 400,00 y pk 760,00 - Arquetas ventosa pk 200,00 y pk 600, P0R0-AN doc A05-6

7 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 0983P0R0-AN doc

8 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 1. INTRODUCCIÓN 2. COLECTORES DE GRAVEDAD DE PE 2.1. TUBERÍA DE DN 500 mm 2.2. TUBERÍA DE DN 630 mm 3. COLECTOR DE IMPULSIÓN DE PEAD 3.1. TUBERÍA DE DN 400 mm 0983P0R0-AN doc A06-2

9 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 1. INTRODUCCIÓN Para los colectores de gravedad, así como para el de impulsión, se realizan los cálculos correspondientes a las dos situaciones más desfavorables que se pueden llegar a producir: Altura mínima sobre la generatriz superior del tubo. Altura máxima sobre la generatriz superior del tubo. En el caso que la altura de recubrimiento fuese inferior a 80 cm, se deberá proteger el tubo con un recubrimiento de hormigón según las indicaciones de la Dirección Facultativa. Igualmente se protegerán con hormigón todos aquellos colectores a instalar por debajo del nivel freático. En los tramos que la canalización atraviesa estructuras singulares, mediante hincado, como: la autovía LL-11, la línea de FFCC Barcelona-Lleida y la Clamor de Els Canals-1, las tuberías de PE o PEAD, se instalarán por el interior de un tubo de acero de 500 x 5 mm, 600 x 6 mm o 800 x 6 mm de diámetro interior x grosor, con el resguardo mínimo indicado en los planos (1 m para la LL-11, 3,15 m para la línea de FFCC y 1 m para la Clamor). 2. COLECTORES DE GRAVEDAD DE PE En el siguiente apartado se adjuntan los cálculos mecánicos correspondientes a cada altura y a cada diámetro. En todos los casos el resultado del tubo de PE corrugado, de doble pared, de diámetros DN entre 500 y 630 mm, con clase de rigidez anular SN 4, ha estado favorable. Así se ha estudiado el comportamiento mecánico de la tubería de PE de doble pared de diámetros nominales 500 y 630 mm, sometidas a sobrecargas dinámicas de tráfico medio-ligero, bajo terreno natural (tramo paralelo a la LL-11). Para mayor seguridad, en el Polígono El Segre, se prevé hormigonar el tramo de tubería de DN 630 mmy (situado bajo 35 cm de pavimento asfáltico y 20 cm de zahorra artificial), por lo que no se adjunta ningún cálculo. La altura mínima sobre la generatriz del tubo se ha considerado de 70 cm. Si por motivos hidráulicos o constructivos esta altura fuese inferior se debería proceder a proteger la tubería con una losa de hormigón. Se calcula para cada diámetro la respuesta mecánica de la tubería sometida a dos alturas extremas, mínima y máxima, a la que se puede encontrar sometida (ver perfiles). 0983P0R0-AN doc A06-3

10 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 2.1. TUBERÍA DE DN 500 mm Colocada a 1,95 m de profundidad Colocada a 0,7 m de profundidad Datos dimensionales del tubo Diámetro nominal del tubo (en mm) DN 500 Rigidez circunferencial según EN ISO 9969 (en kn/m²) SN 4 Datos de la zanja Dimensiones de la zanja Anchura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) B 1,28 Altura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) H 0,7 Terreno de relleno y modalidad de zanja Peso específico del material de relleno (en N/m3) γ t Angulo de rozamiento entre el material de relleno (en ) ϕ 33 Datos dimensionales del tubo Diámetro nominal del tubo (en mm) DN 500 Rigidez circunferencial según EN ISO 9969 (en kn/m²) SN 4 Datos de la zanja Dimensiones de la zanja Anchura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) B 1,28 Altura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) H 1,95 Terreno de relleno y modalidad de zanja Peso específico del material de relleno (en N/m3) γ t Angulo de rozamiento entre el material de relleno (en ) ϕ 33 Coeficiente de rozamiento del material de relleno y la pared de la zanja µ 0,65 Coeficiente de rozamiento del material de relleno y la pared de la zanja µ 0,65 Factor de autocompactación d 1 1,5 Angulo de soporte (en ) 2α 0 B Costante de fondo (valore calculado) Κ x 0,11 H Factor de autocompactación d 1 1,5 Angulo de soporte (en ) 2α 0 Costante de fondo (valore calculado) Κ x 0,11 Módulo secante del terreno (en N/mm²) E' 2,76 B H Módulo secante del terreno (en N/mm²) E' 2,76 2α Cargas dinámicas superficiales 2α Cargas dinámicas superficiales Cargas externas (en kn/rueda) Q 50 r Cargas externas (en kn/rueda) Q 50 Distancia horizontal del punto de carga (en m.) r 0 r Q Distancia horizontal del punto de carga (en m.) r 0 Q Verificación de la deformación Verificación de la deformación La deformación del tubo resulta igual a mm 13,488 La deformación del tubo resulta igual a mm 19,756 La disminución porcentual del diámetro es 2,70% Valor aceptable La disminución porcentual del diámetro es 3,95% Valor aceptable 0983P0R0-AN doc A06-4

11 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 2.2. TUBERÍA DE DN 630 mm Colocada a 4,2 m de profundidad Colocada a 1,3 m de profundidad Datos dimensionales del tubo Diámetro nominal del tubo (en mm) DN 630 Rigidez circunferencial según EN ISO 9969 (en kn/m²) SN 4 Datos de la zanja Dimensiones de la zanja Anchura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) B 1,46 Altura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) H 1,3 Terreno de relleno y modalidad de zanja Peso específico del material de relleno (en N/m3) γ t Angulo de rozamiento entre el material de relleno (en ) ϕ 33 Datos dimensionales del tubo Diámetro nominal del tubo (en mm) DN 630 Rigidez circunferencial según EN ISO 9969 (en kn/m²) SN 4 Datos de la zanja Dimensiones de la zanja Anchura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) B 1,46 Altura medida sobre la generatriz superior del tubo (en m) H 4,2 Terreno de relleno y modalidad de zanja Peso específico del material de relleno (en N/m3) γ t Angulo de rozamiento entre el material de relleno (en ) ϕ 33 Coeficiente de rozamiento del material de relleno y la pared de la zanja µ 0,65 Coeficiente de rozamiento del material de relleno y la pared de la zanja µ 0,65 Factor de autocompactación d 1 1,5 Angulo de soporte (en ) 2α 0 B Costante de fondo (valore calculado) Κ x 0,11 H Factor de autocompactación d 1 1,5 Angulo de soporte (en ) 2α 0 Costante de fondo (valore calculado) Κ x 0,11 Módulo secante del terreno (en N/mm²) E' 2,76 B H Módulo secante del terreno (en N/mm²) E' 2,76 2α Cargas dinámicas superficiales 2α Cargas dinámicas superficiales Cargas externas (en kn/rueda) Q 50 r Cargas externas (en kn/rueda) Q 50 Distancia horizontal del punto de carga (en m.) r 0 r Q Distancia horizontal del punto de carga (en m.) r 0 Q Verificación de la deformación Verificación de la deformación La deformación del tubo resulta igual a mm 25,654 La deformación del tubo resulta igual a mm 16,288 La disminución porcentual del diámetro es 4,07% Valor aceptable La disminución porcentual del diámetro es 2,59% Valor aceptable 0983P0R0-AN doc A06-5

12 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS 3. COLECTOR DE IMPULSIÓN DE PEAD Las tuberías de polietileno al ser flexibles, admiten deformaciones superiores a los tubos rígidos sin roturas ni fisuración. Aunque soporten por si mismos una cierta carga exterior, su comportamiento real se deriva en que entren en acción empujes pasivos laterales del terreno envolvente al producirse una deformación. La deformación admitida es del 5 % a los 50 años, por tanto los cálculos se centraran a la comprobación de la tubería a largo plazo (50 años). Las características mecánicas que aseguren una correcta respuesta mecánica del tubo una vez instalado, según UNE , son: 3.1. TUBERÍA DE DN 400 mm Colocada a 0,8 m de profundidad CÁLCULO DE CARGAS EXTERNAS A LARGO PLAZO DATOS Características de la Tubería: Diámetro Nominal (mm) Presión Nominal (atm)...10 Presión Interior (atm) Tipo de tubería...pe100 Características del material Valores Método de ensayo Densidad > 0,940 kg/dm 3 UNE 53020/73 Coeficiente de dilatación lineal Temperatura de reblandecimiento De 200 a 230 millonésimas por grado centígrado UNE 53126/79 ³ 100 C UNE 53118/78 Índice de fluidez 0,3 g/10 min UNE 53200/83 Resistencia a tracción simple Alargamientos a la rotura ³ 190 kp/cm 2 UNE 53133/82 ³ 350% UNE 53133/82 Observaciones Carga de ensayo de 1 kp. Con un peso de 2,160 g a 190 C Tensión en el punto de fluencia Características de la zanja: Profundidad de zanja (m) Terraplén sobre zanja (m)...0 Ancho de zanja (m) Ángulo de talud de zanja (º) Altura freática (m)...0 Tipo de terreno...medianamente Cohesivo Se incluyen en este grupo las gravas y arenas arcillosas o limosas. Tipo de relleno...no Cohesivo Se incluyen en este grupo gravas y arenas sueltas. Compactado del relleno...toda la altura por capas Equivale a un Proctor Nomal del 97% Sobrecargas: Carga concentrada (tráfico) sobre tubería (T)...60 Carga repartida por unidad de superficie (T/m2) Pavimento: Altura de capa de pavimento (m) P0R0-AN doc A06-6

13 ANEXO 6. CÁLCULOS MECÁNICOS RESULTADOS Deformación < 5% Correcto Esfuerzos tangenciales: Clave < 2.5 Incorrecto Riñón > 2.5 Correcto Base < 2.5 Incorrecto Presión del terreno: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto Tipo de relleno...no Cohesivo Se incluyen en este grupo gravas y arenas sueltas. Compactado del relleno...toda la altura por capas Equivale a un Proctor Nomal del 97% Sobrecargas: Carga concentrada (tráfico) sobre tubería (T)...60 Carga repartida por unidad de superficie (T/m2) Pavimento: Altura de capa de pavimento (m)...0 Presión exterior del agua: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto Presión simultanea del terreno y del agua externa: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto RESULTADOS Deformación < 5% Correcto Colocada a 6,6 m de profundidad CÁLCULO DE CARGAS EXTERNAS A LARGO PLAZO DATOS Características de la Tubería: Diámetro Nominal (mm) Presión Nominal (atm)...10 Presión Interior (atm) Tipo de tubería...pe100 Esfuerzos tangenciales: Clave > 2.5 Correcto Riñón > 2.5 Correcto Base > 2.5 Correcto Presión del terreno: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto Presión exterior del agua: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto Presión simultanea del terreno y del agua externa: Coeficiente de seguridad > 2.5 Correcto Características de la zanja: Profundidad de zanja (m) Terraplén sobre zanja (m)...0 Ancho de zanja (m) Ángulo de talud de zanja (º) Altura freática (m)...0 Tipo de terreno...medianamente Cohesivo Se incluyen en este grupo las gravas y arenas arcillosas o limosas. 0983P0R0-AN doc A06-7

14 ANEXO 7. CÁLCULOS DE BOMBAS 0983P0R0-AN doc

15 1. DESCRIPCIÓN 2. ESTACIÓN DE IMPULSIÓN EB DATOS LINEALES DE LA TUBERÍA DE IMPULSIÓN 2.2. DATOS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO 2.3. ELECCIÓN DE LA BOMBA 2.4. CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS 2.5. RESULTADOS GRÁFICA DE LA BOMBA VOLUMEN DE LA CÁMARA DE ASPIRACIÓN ESTUDIO DE LOS FENÓMENOS DE CAVITACIÓN Y DEL GOLPE DE ARIETE 0983P0R0-AN doc A07-2

16 1. DESCRIPCIÓN En el Anexo núm. 3 del presente documento, se ha calculado el caudal de diseño de las aguas residuales. Este caudal definirá el dimensionado de las bombas, así como la sección de los colectores de impulsión. Con el objeto de dimensionar la estación de impulsión se ha seguido la siguiente metodología: a) Determinación del desnivel geométrico obtenido de los topográficos efectuados para este trabajo. b) Determinación de la curva del sistema a partir de las longitudes en las conducciones y diámetros previstos en el proyecto con el cálculo de les pérdidas de carga por fricción a partir de la fórmula de Colebrook, según: siendo: 1 = 2 log λ 10 k D Re V D Re = ν y aplicando la fórmula fundamental de Darcy, y el caudal viene dado por: 2 λ V J = 2 g D π D Q = V λ donde: Q, es el caudal en l/s D, es el diámetro interior en mm n, es la viscosidad cinemática en m 2 /s. Para 10ºC se utiliza el valor 1, m 2 /s. J, son las pérdidas por fricción en m/km K, es la rugosidad absoluta media en mm. Para el caso de aguas residuales y a partir del caudal del proyecto, en cada caso, se deducen las pérdidas por fricción. Re, es el número de Reynolds., es el coeficiente de fricción. g, es la aceleración de la gravedad, es decir, 9,81 m 2 /s Las pérdidas singulares han estado consideradas según las características de las conducciones. c) Determinación de la curva característica de las bombas, utilizando catálogos de las bombas sumergibles de aguas residuales que mejor se ajusten al sistema definido por las pérdidas por fricción y por las diferencias geométricas. d) Gráficos, a partir de la curva del sistema y de la curva de la bomba a la salida de la estación de impulsión, es decir, sin las pérdidas de carga del interior de la estación, se deduce el equipo que más se adecua a los caudales a impulsar, de manera que los puntos de funcionamiento se acerquen el máximo posible. En el cálculo de volumen útil de las estaciones, se ha partido del caudal de diseño, utilizando la siguiente expresión: siendo: V u Q = 0, 9 Z V u, volumen útil de la cámara húmeda para la impulsión de una bomba en m 3 Q B, caudal de impulsión de una bomba en l/s Z, número de arrancadas por hora. B 0983P0R0-AN doc A07-3

17 (U.D. MECÁNICA DE FLUIDOS, Universidad Politécnica de Valencia, "Estaciones de bombeo de Aguas Pluviales y/o Residuales", GENERALITAT VALENCIANA, Conselleria d Indústria, Comerç i Turisme, pàgina 234.) 2. ESTACIÓN DE IMPULSIÓN EB DATOS LINEALES DE LA TUBERÍA DE IMPULSIÓN e) Resultados, a partir de la metodología anterior se obtiene el punto o puntos de funcionamiento de las bombas. Diámetro exterior (mm) D e : 400 Diámetro interior (mm) D i : 352,6 Viscosidad (x10-6 ) ν: 1,31 Longitud del tubo (m) L: 806 Altura geométrica (m) H g : 10,6 Coeficiente de rugosidad K: 0,01 Caudal (l/s) Q: 128,25 Como resultado del estudio de optimización de diámetros, se ha elegido un colector de polietileno de paredes interiores lisas de alta densidad PE 100 DN 400 mm y presión máxima PN 10 atm, de diámetro tal, que en el caudal máximo a bombear se obtengan velocidades del orden de 1 m/seg. Resultados, Velocidad (C diseño ) 1,31 m/s Re Pérdida por ml 0,0036 m Pérdida en el tramo 2,88 m 2.2. DATOS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO En el interior de la estación de bombeo distinguimos entre la tubería común, que también será de polietileno, y la tubería individual, que en este caso de acero inoxidable. Diámetro del tubo común (mm) D b : 352,6 Longitud del tubo común (m) L b : 1 Coeficiente de rugosidad K 1 : 0,01 Diámetro del tubo individual (mm)d e : 250 Longitud del tubo individual (m) L b : 2 Coeficiente de rugosidad K 2 : 0, P0R0-AN doc A07-4

18 Altura geométrica (m) H 1 : 2 Número de bombas B: ELECCIÓN DE LA BOMBA Con los datos citados anteriormente, se escoge la bomba necesaria para impulsar el caudal de diseño a una altura total de 10,6 m. Para la elección del modelo, se debe tener en cuenta que son bombas para aguas sucias, y por tanto, es de interés que disponga de un paso de sólidos mínimo de 100 mm, y la velocidad sea inferior a r.p.m.. La bomba seleccionada para la nueva estación de bombeo es AFP 1543 M 160/4D, de la marca comercial ABS, con un motor de 14 kw en el eje a r.p.m., a 400 V y 50 Hz. 2.4.CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS a) Pérdidas de carga en el tubo de polietileno de DN 400 mm Pérdidas singulares en la tubería, SINGULARIDAD COEF. K CANTIDAD K N Codo de 45º 0, ,391 Codo de 90º 0, ,626 Salida 1, ,000 Pérdidas de carga en la tubería, K total 2,070 Caudal Velocidad H singular H lineal Ht 10 0,102 0,001 0,0294 0, ,205 0,004 0,1005 0, ,307 0,010 0,2074 0, ,410 0,017 0,3478 0, ,512 0,027 0,5201 0,5471 Caudal Velocidad H singular H lineal Ht 60 0,614 0,039 0,7232 0, ,717 0,053 0,9563 1, ,819 0,069 1,2188 1, ,922 0,087 1,5102 1, ,024 0,108 1,8299 1, ,127 0,130 2,1777 2, ,229 0,155 2,5532 2, ,331 0,182 2,9560 3, ,434 0,211 3,3861 3, ,536 0,243 3,8430 4, ,639 0,276 4,3267 4,6027 b) Pérdidas de carga en la estación de bombeo Pérdidas lineales en tramo común Velocidad (C diseño ) 1,31 m/s Re Pérdida por ml 0,0036 m Pérdida en el tramo 0,0036 m Pérdidas lineales en tramo individual Velocidad (C diseño ) 1,306 m/s Re Pérdida por ml 0,0066 m Pérdida en el tramo 0,0132 m Pérdidas singulares del tramo individual en el interior de la estación, SINGULARIDAD COEF. K CANTIDAD K N Codo de 90º 0, ,341 Val. compuerta 0, ,070 Val. Retención 2, ,500 Entrada 1, ,000 Total 3, P0R0-AN doc A07-5

19 En el tramo común no se prevén pérdidas por accesorios. Pérdidas de carga en el interior de la estación, 1 BOMBA Caudal Velocidad H singular H lineal Ht 10 0,204 0,008 0,0004 0, ,407 0,033 0,0016 0, ,611 0,074 0,0034 0, ,815 0,132 0,0058 0, ,019 0,207 0,0088 0, ,222 0,298 0,0125 0, ,426 0,405 0,0168 0, ,630 0,529 0,0218 0, ,834 0,670 0,0273 0, ,037 0,827 0,0335 0, ,241 1,001 0,0403 1, ,445 1,191 0,0478 1, ,648 1,398 0,0558 1, ,852 1,622 0,0645 1, ,056 1,861 0,0738 1, ,260 2,118 0,0837 2, BOMBAS Caudal Velocidad H singular H lineal Ht 10 0,102 0,002 0,0002 0, ,204 0,008 0,0005 0, ,306 0,019 0,0011 0, ,407 0,033 0,0019 0, ,509 0,052 0,0028 0, ,611 0,074 0,0040 0, ,713 0,101 0,0053 0, ,815 0,132 0,0069 0, ,917 0,168 0,0086 0,1761 Caudal Velocidad H singular H lineal Ht 100 1,019 0,207 0,0105 0, ,120 0,250 0,0125 0, ,222 0,298 0,0148 0, ,324 0,350 0,0172 0, ,426 0,405 0,0198 0, ,528 0,465 0,0226 0, ,630 0,529 0,0256 0, RESULTADOS Datos de la bomba escogida Caudal Altura 1 B Altura 2 B 10 27,50 27, ,00 27, ,00 26, , , , , , , , ,00 18, ,50 17, ,50 16, ,00 15, ,00 14, , P0R0-AN doc A07-6

20 Tabla general de pérdidas de carga CURVAS DEL SISTEMA Caudal Sistema BOMBA1 BOMBA2 12, ,491 27,498 12, ,965 27,491 12, ,922 26,230 12, ,862 24,965 13, ,784 23,945 13, ,190 22,922 13, ,078 21,893 13, ,449 20,861 14, ,303 19,824 14,5377 9,389 18,783 14,9081 6,959 17,987 15,3084 4,261 17,187 15,7382 2,046 16,133 16,1973 0,314 15,075 16,6856-0,935 14,262 17,2027-2,202 13,445 30, , , , ,0000 GRAFIC DE CORBES PUNTOS DE FUNCIONAMIENTO 5,0000 Utilizando los tipos de bombas escogido, para la estación de bombeo, se obtienen los siguientes puntos de funcionamiento. 0, Para una bomba Q = 77,70 l/s H = 13,82 m Para dos bombas Q = 132,60 l/s H = 15,86 m -5,0000 CABAL Sistema BOMBA1 BOMBA2 BOMBA3 BOMBA4 0983P0R0-AN doc A07-7

21 GRAFICA DE LA BOMBA 0983P0R0-AN doc A07-8

22 VOLUMEN DE LA CAMARA DE ASPIRACIÓN Con el funcionamiento de una única bomba, el volumen útil de la cámara será; 0,9 77,70 V 1 = = 6, 99m 10 3 Con el funcionamiento de las dos, 0,9 132,60 V 2 = = 11, 93m 10 3 Se han considerado 10 arrancadas/hora, aunque el fabricante lo limita a 15. La altura mínima de la sonda de arrancada de la bomba será: S: superficie de la solera de la cámara de aspiración S = 5 m x 3,5 m = 17,5 m 2 H Vu = S 6,99 m = 17,50 m 3 min = 1 2 0,40 m H Vu = S 11,93 m = 17,50 m 3 min = 2 2 0,68 m El grado de dilución que se consigue es: Q Q Bombejat Q Bombejat Q Re al Re al = = 77,70 l s 42,75 l s 132,60 l s 42,75 l s = 1,82 % 1 BOMBA = 3,10% 2 BOMBA Para el dimensionamiento de la cámara húmeda se tomará el valor del caudal de diseño más el resguardo de 640 mm mínimos que requiere la bomba para funcionar y, que el mismo fabricante nos aconseja. 0983P0R0-AN doc A07-9

23 0,68 0,40 0,50 NIVEL EMERGENCIA PUESTA EN MARCHA 2A PUESTA EN MARCHA 1A BOMBA PARADA 2A BOMBA ESTUDIO DE LOS FENÓMENOS DE CAVITACIÓN Y DEL GOLPE DE ARIETE La cavitación en las bombas produce efectos perjudiciales como por ejemplo una disminución del rendimiento y una erosión. La aparición de este fenómeno está relacionado con el tipo de bomba, con el tipo de instalación (cota del eje de la bomba sobre el nivel del líquido del depósito de aspiración), y en último lugar, con las condiciones de servicio de la bomba. 0,63 0,91 PARADA 1A BOMBA COTA SOLERA CAMARA Podemos tener problemas de cavitación si la zona de presiones negativas (zona de succión), llega a la presión de cavitación, que es: Pv = m. c. a. 1 atm Cota solera cámara húmeda 138,983 Cota parada 1ª bomba (H mínima ) 139,613 Cota puesta en marcha 1ª bomba 140,013 Cota puesta en marcha 2ª bomba 140,293 Cota parada 2ª bomba 139,893 Cota nivel de emergencia 140,883 Se debe establecer un nivel de emergencia, para que en el caso excepcional de que llegase un caudal extraordinario, que incluso, funcionando las dos bombas al mismo tiempo y de forma correcta, no se pueda bombear en su totalidad, se iría llenando la cámara húmeda. Para esto se dispone una salida de emergencia, que es realizará con una tubería de PE corrugado de diámetro 630. La pendiente será como mínimo igual que la de la entrada, para permitir un desguace de la máxima capacidad de aguas fecales que pueden entrar a la estación. Si se llega a esta presión, el agua empieza a hervir y pasa de estado líquido a gaseoso. p3 p v NPSH γ p 3 = presión a la entrada de la bomba p v = presión de vapor del líquido que transporta γ = peso específico del fluid NPSH = altura de aspiración necesaria (Net Positive Suction Head) p 3 p γ v p3 pv p3 NPSH = 4 4 (10) = 6 Correcto γ γ γ Otro de los efectos que se debe evaluar es el efecto del Golpe de Ariete. Este fenómeno no se puede producir en el arranque de una bomba porque la presión producida por esta no puede exceder del valor máximo que indique su curva característica H-Q. Por contra, cuando se detenga la bomba, hace falta cerrar primero la válvula de impulsión. Si el cierre se realiza de forma lenta, el Golpe de Ariete no se produce. Las situaciones en que sí puede surgir este fenómeno son: si se detiene el motor de la bomba sin cerrar previamente la válvula de impulsión, o bien si se produce un corte en el subministro eléctrico. 0983P0R0-AN doc A07-10

24 El estudio de este efecto se basa en definir si se produce un cierre lento o un cierre rápido. La clasificación se realiza según: L T TANCAMENT RÀPID tc < 2t0 = 2 = c 2 L T TANCAMENT LENT tc > 2t0 = 2 = c 2 4 L On: T = c L = longitud a recòrrer c = celeritat de l' ona T = període del moviment Donde: 4 L T = = = 14, 14s c 228 L 806 2t 0 = 2 = 2 = 7, 07s c 228 El paso siguiente es determinar el tiempo de cierre. En el caso particular de parada de una bomba se trabaja con la fórmula de MENDILUCE: t K L v 0 c = C + g H B Para determinar la celeridad de la onda de presión se utiliza la fórmula de JOUKOWSKI 1 : E0 ρ c = E D 1+ 0 Eδ c = celeritat de l' ona elàstica ( m / s) 2 E = mòdul d' elàsticitat de volum del fluid ( N / m ) 0 3 ρ = densitat del fluid ( kg / m ) D = diàmetre de la tuberia ( m) 2 E = mòdul d' elàsticitat del material de la tuberia ( N / m ) δ = gruix de la tuberia ( m) donde C, si H B /L < 0,2 1 si H B /L > 0,4 0 si 0,2 > H B /L < 0,4 Variación lineal entre 0 i 1 donde K, L > 2 km K 1 L < 2 km K 2 L/2000 La situación que se está trabajando da: K = = 1, Aplicado a nuestro caso particular: H B L = 10,6 + 1,267 = 0,015 < 0,2 C c = N / m N / m N / m 0,400m N / m 3 2 0,0237m = 228,0 v 1m / s 0 K L v0 1, t = C + = 1+ = 12, s c g H 9,8 11, B 1 Claudio Mataix, "Mecànica de fluidos y màquinas hidràulicas",madrid, Ediciones del Castillo S.A., 1986, pàgina 317. Como t c > 2t 0 Cierre lento 0983P0R0-AN doc A07-11

25 Como se trata de un cierre lento, se utiliza la expresión de MICHAUD 2 determinar la sobrepresión que genera el Golpe de Ariete: para p = 2 ρ L v t c = 3 2 (1000kg / m ) 806m 1m / s 12,07s = ,27N / m 2 = 13,35m. c. a. Se debe comprobar que la presión existente más esta sobrepresión, que aparece si por alguna razón la bomba se detiene de golpe, puede ser resistida por el material de la tubería. e = P D σ e = grosor mínimo de la pared de la tubería P = presión D = diámetro de la tubería σ = límite elástico del material de la tubería (210 kg/cm 2 ) En nuestro caso particular, el punto más desfavorable en el conjunto de la instalación a nivel de presión es el punto a nivel de salida bajo la Clamor de Els Canals-1, donde tendremos 10,6 m.c.a, más esta sobrepresión del Golpe de Ariete, dan un total de 23,95 m.c.a. 2,95 40 e = = 0,562cm = 5, 6mm 210 e real = 23,7 mm > e mínim = 5,6 mm 2 Claudio Mataix, "Mecànica de fluidos y màquinas hidràulicas",madrid, Ediciones del Castillo S.A., 1986, pàgina P0R0-AN doc A07-12