XXII CONGRESO DE CENTROAMERICA Y PANAMA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL SUPERACION SANITARIA Y AMBIENTAL: EL RETO

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1 BOMBEO A BASE DE RUEDAS HIDRAÚLICAS SOLUCION PARA COMUNIDADES CON DIFICULTAD DE FUENTES POR GRAVEDAD ( PROYECTOS PILOTO EN HONDURAS PARA SUMINISTRO DE AGUA) ALDEAS: HACIENDA VIEJA Y GONZALO MALDONADO TEMA: TECNOLOGIA SUB TEMA : AVANCES TECNOLOGICOS PRESENTADO POR : ING. JUAN CARLOS GODOY AYESTAS JEFE DE ACUEDUCTOS RURALES SANAA-USAID REGION NORTE es AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 1

2 BOMBEO A BASE DE RUEDAS HIDRAULICAS PROYECTOS PILOTO DESARROLLADOS EN HONDURAS (Aldeas Gonzalo Maldonado y Hacienda Vieja) ING. JUAN CARLOS GODOY AYESTAS Ingeniero Civil, Actualmente Jefe de Acueductos Rurales de la Regional Norte de SANAA, Experiencia en Diseño, construcción y evaluación de sistemas de agua potable y alcantarillado, Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales y agua potable.. Dirección: Calle CRH / Av. principal, - Barrio Los Pinos- El Progreso - Yoro - Honduras - Tel.: , , Fax: , jgodoy_ayestas@hotmail.com INTRODUCCIÓN Con el crecimiento de la población en el sector rural de Honduras y el lamentable deterioro a que son sujetas las microcuencas, se ha visto con suma preocupación que muchas comunidades no pueden ser abastecidas por gravedad, debido a que las fuentes en zonas arriba de la cuota de las comunidades son muy pequeñas y no son capaces de satisfacer la demanda máxima diaria o bien solo son fuentes de invierno, sumado a esto las distancias a las comunidades es tal que los proyectos no son factibles económicamente. El problema de abastecimiento de agua de este tipo de comunidades se agrava aun mas al no contar con energía eléctrica; ya que las posibilidades de la construcción de un sistema en base a pozo perforado y bomba sumergible son improbables si no se cuenta con un suministro de energía apropiados (aparte que dicha solución es también costosa en sus fases constructiva y operativa). Con el incremento constante de los costos de los carburantes, la solución de instalar un generador de energía o una bomba a base de combustible, no solo resulta costoso, si no también una carga pesada para las comunidades que tienen que sacrificarse con altas tarifas para poder sufragar los gastos del diesel o gasolina, contando con un sistema que además de ser caro, solamente proporcionará agua por limitadas horas del día. Frente a ese panorama que enfrentan muchas comunidades de Honduras (y Centro América) que carecen del vital liquido, se presenta el siguiente trabajo desarrollado en SANAA-División Norte, el que abre las puertas al suministro por bombeo a muy bajos costos constructivos y operativos. Este trabajo presenta la experiencia ganada con la tecnología brasileña aplicada a dos proyectos del sector rural de los municipios de El Negrito y de Yoro, ambos en el Departamento de Yoro. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 2

3 Aunque esta tecnología no es nueva en Brasil, donde existe hace mas de 45 años, para Honduras y Centro América representa una experiencia piloto y una novedad en lo que a suministro de agua se refiere. BOMBEO A BASE DE RUEDA HIDRAULICA QUÉ ES UNA BOMBA A BASE DE RUEDA HIDRÁULICA? Una bomba a base de rueda hidráulica es una máquina que aprovecha la energía hidráulica producida por el peso del agua en los cajones de una rueda metálica, este peso del agua hace que la rueda gire y mediante el uso de un punto excéntrico (3) en un disco metálico (1), se produce el movimiento de dos pistones (4) que en términos prácticos funcionan como jeringas succionando e impulsando el agua a través de las válvulas de Retención (7 y 8) las que permiten el paso a la cápsula de aire o caballete y de este a la tuberías de bombeo.( tal como se muestra en la figura) Para el accionamiento de este tipo de bombas es necesario que la fuente tenga el caudal de agua necesario para el accionamiento de la rueda o ruedas necesarias para abastecer a la comunidad. TIPOS DE BOMBAS DE RUEDAS HIDRAULICAS El tipo de bomba a ser usada y el número de bombas a utilizar depende de tres factores que deben tenerse muy en cuenta. a.- b.- c.- Cantidad de agua suministrada para el accionamiento de la rueda. Carga dinámica total a vencer durante el bombeo. Caudal deseado (caudal a ser abastecido). AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 3

4 La variedad de bombas está limitada a tres categorías. La bomba mas pequeña, requiere menor cantidad de agua para su accionamiento, los caudales suministrados oscilan entre los 1200 y 5400 litros diarios y puede vencer C.D.T. de hasta 210 Mts. (según se muestra en la gráfica del anexo A). Bomba de tamaño intermedio, el rango de caudal de accionamiento varía de 1 litro/seg a 25 Lts/Seg., puede vencer C.D.T. de entre 10 Mts. a 140 Mts. el caudal suministrado por esta bomba varía de 2400 Lts/día a 21,600 Lts./día. (según se muestra en la gráfica del anexo B). La bomba mas potente, el rango de caudal para su accionamiento varía de 3 Lts/Seg. a 50 Lts/Seg., puede vencer C.D.T. de hasta 210 Mts. y puede impulsar entre 9,600 Lts/día a 46,800 Lts/día. (según se muestra en la gráfica del anexo C). La mejor selección, distribución y número del equipo a usar depende del criterio del diseñador, ya que las posibilidades de uso de este equipo es muy versátil y fácil de calculo, dependiendo del caudal para el accionamiento de rueda y de la topografía, este sistema puede usarse en paralelo o en serie. PROYECTOS PILOTO EN HONDURAS A fin de ilustrar un poco, la forma de calculo y selección del equipo de bombeo, explicaremos los criterios usados para la selección del equipo que se instaló en los proyectos piloto desarrollados en Honduras por SANAA. PROYECTO GONZALO MALDONADO, EL NEGRITO, YORO. BREVE DESCRIPCION La aldea Gonzalo Maldonado, en el Municipio de El Negrito, Departamento de Yoro, en una comunidad nueva que alberga a 50 familias desplazadas por la inundación provocada por el Río Cuyamapa, durante el Huracán Mitch. La Institución Bolsa Samaritana y otras ONG S, dedicadas a la construcción de viviendas, construyeron las casas de habitación de las familias desplazadas en una zona de fácil acceso; pero de condiciones desfavorables para la construcción de un sistema de agua, por dos importantes razones. 1.- La fuente de agua mas cercana para abastecer por gravedad se encuentra a 7.3 Km. del sitio donde existe la comunidad. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 4

5 2.- No existe energía eléctrica en zona. En las cercanías de la comunidad existe un nacimiento que produce 3800 galones/minuto; pero se encuentra 5 Mts. abajo del nivel de la comunidad. Al hacer el estudio SANAA vio que por gravedad trayendo el agua de la fuente a 7.3 Km. el proyecto económicamente no era factible por su alto costo constructivo, en el caso de querer construir un sistema por bombeo no existe energía eléctrica en la zona y el suministro seria por limitadas horas, en el caso de querer construir el sistema con bombas Diesel. Los costos operativos serían altos y rápidamente (debido a las condiciones de pobreza de las comunidades) el sistema se vería descuidado. Se hicieron investigaciones para determinar que tipo de sistema se podría usar para abastecer a la comunidad y cuyos costos constructivos fuesen inferiores al proyecto por gravedad que era la primera alternativa que se tenía. El costo del proyecto por gravedad era de Lps. 723, (SETECIENTOS VEINTE Y TRES MIL LEMPIRAS CON 00/100). En vista que la única posibilidad de llevar agua a la comunidad, a parte del sistema por gravedad, era por bombeo, se analizo las siguientes alternativas: Bombeo a base de energía eléctrica Imposible, no existe electricidad en el sector y la ENEE no tiene posibilidades de instalar energía a corto plazo. Bombeo a base de sistema Diesel El costo de la Bomba a base de combustible es de Lps.76,000.00,el tiempo promedio de funcionamiento era de 4 horas por día, el consumo de combustible de 0.8 galones por hora lo que hacia un total de 96 galones por mes, el costo del combustible mensual, considerando Lps por galón, era de Lps , lo que implicaba una tarifa mensual de Lps por abonado, esto representaba un carga demasiado alta para la comunidad considerando sus condiciones de pobreza. El costo constructivo de este sistema era alto, el tiempo de servicio limitado y los costos operativos fuera del alcance de los beneficiarios. Ariete Hidráulico El ariete hidráulico opera según la figura siguiente: AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 5

6 En el caso de la comunidad Gonzalo Maldonado la altura H disponible no era lo suficiente para producir el bombeo de la cantidad de agua necesaria para abastecer a la comunidad, se requería una batería de cuatro arietes (según la figura siguiente) para abastecer a la aldea Gonzalo Maldonado, lo que incrementaba los costos constructivos y este tipo de equipo no se encuentra en el país. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 6

7 La eficiencia de este sistema era de apenas el 3% lo que significaba una gran Inversión por poca producción. En términos económicos el proyecto con ariete hidráulico costaría 178,000 solo en compra de equipo, sumado a ello los costos de la línea de bombeo, cerco, tuberías de distribución y tanque, costos que sobrepasaban el costo base del proyecto por gravedad. Molino de Viento Se estudio la posibilidad de instalar una bomba movida por molino de viento similar a la figura siguiente: AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 7

8 Se estuvo monitoreando los vientos en la zona y se observo que no había posibilidad para este tipo de sistema debido a que la mayoría del tiempo los vientos son inferiores a 11 KM por hora, velocidad mínima necesaria para accionar este tipo de sistema, aunque los costos constructivos eran los mas bajos, la factibilidad técnica era imposible. Bomba de rueda hidráulica La Eficiencia del sistema era del 6% (accionamiento vrs. Q suministrado) los costos de construcción representaban el 50% del costo del sistema por gravedad, tiempo de suministro 24 horas/día, los costo de operación y mantenimiento se reducen al mínimo. En vista de los análisis anteriores se procedió a la construcción del proyecto base a rueda hidráulica. en El calculo realizado para la selección de equipo fue el siguiente: AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 8

9 PROYECTO GONZALO MALDONADO, EL NEGRITO, YORO DAT0S TECNICOS Población = 300 Personas Dotación = 25 G.P.P.D. K 1 = 1.50 C. Med. D. K 2 = 1.50 C.Max. D. Ε Bomba-tanque = 25 Mts. Ε OT-Bomba = 0.60 Mts. Tubería de accionamiento = P:V:C Ø 8" SRD 50 Período de diseño = 20 años (se considera instalar otra bomba a los 10 años, razón por la que la población al ser servida por el equipo seleccionado será la población a 10 años, previniendo la compra de otro equipo). a.- Cálculo del Caudal de Diseño q = POBLACION*DOTACION 1440 q = 300 * 25 = 5.21 G.P.M C. MAX D = 1.5 * q = 7.81 G.P.M. Factor de población futura (aritmético) F = * 10 = 1.30 Caudal Máximo Diario futuro(a 10 años) CMD = 7.81 G.P.M. * 1.30 = G.P.M. b.- Caudal de Accionamiento Disponible La fuente produce 3800 G.P.M. en vista que se usará tubería Ø 8" P.V.C. se calculará cual es el caudal disponible a través de la tubería que accionará la rueda. H f = * Q 1.85_ D 4.87 AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 9

10 Q = * 100 (hf) * D 4.87 L L = mt. Hf disponible = 0.60 Ø = 8" Q = G.P.M. [ 25 Lts/Seg.] La rueda disponible en el mercado nacional en esta oportunidad era la MS4 rueda de 1.90 * C-12 con c.- Perdidas por Fricción en la Linea de Bombeo q = G.P.M. [55,500 Lts/día] en la tabla de perdidas de presión en m/10 m se observa una perdida de 0.60 Mt./100 Mt. (se consideró tubería de Ø 2" P.V.C. para reducir al máximo las perdidas y por tanto la C.D.T.). d.- Carga Dinámica Total Longitud de bombeo = 276 Mts. Perdidas en m/100 Mts. = 0.60 Perdidas totales hf = 276 * 0.60 = Mt. 100 C.D.T. = E + hf = Mt Mt. = Mt. e.- Selección del equipo En vista que la rueda disponible en el país era la MS-4, 6-12 rueda de 1.90 * 0.35, se verificó si dicha pueda podía suministrar el caudal deseado con las condiciones establecidas. En la gráfica se ingreso con los siguientes datos : Q = 40 Lts/Seg. (caudal de accionamiento, líneas inclinadas de la gráfica). C.D.T. = Mts. (Eje vertical de la gráfica). Modo de uso de la gráfica. 1.- Partiendo del eje vertical con la C.D.T. se traza una línea horizontal hasta interceptar la línea inclinada que corresponde al caudal de accionamiento. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 10

11 2.- De este punto de intersección se traza una línea vertical hasta tocar el eje horizontal que corresponde a los caudales suministrados. En el caso de Gonzalo Maldonado el caudal suministrado en estas condiciones será de 38,400 Lts/día ( G.P.M.) ligeramente menor al C.M.D. Una vez verificado que con el sistema de rueda hidráulica podía abastecer a la comunidad en las condiciones previstas se procedió a la construcción del mismo. EVALUACION DEL SISTEMA UNA VEZ CONSTRUIDO Después de haber construido el sistema se procedió a revisar los cálculos realizados en base al caudal aforado realizado en el tanque, se pudo verificar que el caudal real suministrado por la bomba es de 10.7 G.P.M., el cual es mayor del caudal teórico esperado, esto garantiza el abastecimiento a la comunidad por el período de diseño previsto, el tiempo de bombeo es de 24 horas/día y el suministro de agua a la comunidad es permanente. PROYECTO HACIENDA VIEJA, YORO, YORO BREVE DESCRIPCION DEL PROYECTO La comunidad Hacienda Vieja consta de 75 familias que carecían de agua, la fuente mas cerca está ubicada a 11.5 Km (para abastecerla por gravedad), habiendo visto los resultados obtenidos en el proyecto Gonzalo Maldonado se hizo el diseño para hacer el proyecto por bombeo, se seleccionó el sitio para perforar un pozo. (Pozo excavado a mano) del que las bombas succionarán el agua para llevarla a la comunidad. Para mover las ruedas se haría uso de una caja derivadora en Río Locomapa, el agua se conduciría a través de 1200 Mt. de tubería de drenaje RD 50 PVC Ø 12", se hicieron los cálculos pendientes y se observó que el proyecto tenía factibilidad técnica y económica. En términos económicos el proyecto por bombeo usando la rueda hidráulica era 2.2 millones de lempiras mas económico que el sistema por gravedad. En vista de la factibilidad técnica y económica se optó por la solución de abastecer a la comunidad haciendo uso de tres ruedas hidráulicas, el número de bombas se debió a la diferencia de elevación entre el sitio de la estación de bombas y el sitio del tanque. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 11

12 PROYECTO HACIENDA VIEJA, YORO, YORO DATOS TECNICOS Población actual = 450 habitantes Dotación = 25 G.P.P.D. K 1 = 1.50 c,med.d. K 2 = 1.50 c.max.d. elevación bomba-tanque = 60 Mts. elevación 0.+-bombas = 5.83 Mts. Tubería de accionamiento = PVC Ø 12" RD 50 Período de diseño = 20 años Período de vida del equipo = 10 años (a los 10 años la comunidad deberá agregar otra bomba para abastecer pob. Longitud de accionamiento = 1250 Mts. Longitud de bombeo = 2,000 Mts. a.- Cálculo del caudal de diseño. Q = Población x Dotación 1440 q = 450 personas x 25 G.P.P.D. = 7.82 g.p.d.m C.max. D. = 1.50* q = G.P.M. (63,872 Lts./día) Factor de población futura (a 10años) F = 1 + j * h F= = 1.30 Caudal máximo diario futuro = * C. Max. diario actual C. max. D. = 1.30 * = G.P.M. ( 83,009. GTS/día ) b.- Perdidas por fricción en línea de bombeo. h f = * Q_ 1.84 * L D L = 2000 Mts. Q = G.P.M. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 12

13 D = 3" PVC RD26 (se asumió este diámetro para reducir perdidas y disminuir C.D.T.) h f = * (15.23) * h f = 1.63 Mts. c.- Carga dinámica total (C.D.T.) C.D.T. = h f + E bomba-tanque C.D.T = Mts. = Mts. Con la C.D.T. y el caudal necesario se ingresa en la gráfica para determinar el caudal necesario de accionamiento (Q). La bomba disponible en Honduras es la MS-4, C-12 con rueda de 1.65 X 0.36, se procurará inyectarles el caudal máximo de accionamiento para ese tipo de rueda que de acuerdo a la gráfica es de 25 Lts. por segundo. En este caso y bajo las condiciones de C.D.T. el caudal máximo bombeado será de Lts./día. Si el volumen diario deseado es de 83,009 Lts./día, se requerirán 3 bombas para suplir la demanda. Se usará entonces 3 MS-4, C-12, rueda de 1.65*0.36, el caudal producido por las 3 bombas será de 93,900 Lts./día, el que es mayor que el C.Max. Diario en 10 años. Se procedió a realizar el análisis de costos y se observó que el sistema por bombeo representaba una economía de 2.2. millones de lempiras en la fase constructiva, el nivel de servicio es de 24 hora diarias y los costos operativos mínimos. Por lo que se procedió a la construcción del sistema evaluación del sistema una vez terminado. El proyecto una vez concluido a dado los resultados deseados, se ha abastecido a las 75 viviendas actuales con una eficiencia de 100% durante las 24 horas del día, la producción de agua en el tanque es de G.P.M., superior al caudal esperado. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 13

14 EVALUACION DEL SISTEMA UNA VEZ CONSTRUIDO El sistema opera en optimas condiciones, se ha capacitado al fontanero y se lleva una supervisión constante del sistema a fin de que la comunidad le brinde el mantenimiento adecuado. RECOMENDACIONES 1.- El sistema de rueda hidráulica para bombeo es altamente eficiente y útil en aquellas comunidades donde las condiciones de caudal de accionamiento, C.D.T. máxima se cumplen y donde no es posible (técnica ni económicamente) la construcción de un sistema por gravedad. 2.- El diseñador de un proyecto usando rueda Hidráulica debe tener sumo cuidado en la selección del sitio para ubicar las bombas y en el suministro adecuado del caudal de accionamiento. 3.- Es necesario Concientizar a la comunidad a beneficiar sobre la vigilancia y el cuidado de este tipo de sistemas, de preferencia deberá encargarse el sitio de bombeo para evitar accidentes o daños innecesario al equipo producidos por los curiosos. AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 14

15 BIBLIOGRAFIA 1. Fuentes Renovables de Energía para sistemas de abastecimiento de Agua, E. H. Hofkes & J. T. Visscher, Serie de Documentos Técnicos # 23, Editorial Cinara-IRC, Sistemas de Abastecimiento de agua para pequeñas comunidades, Tecnología de Pequeños Sistemas de Abastecimiento de agua en paises en desarrollo, Varios autores, CEPIS, Serie de Documentos técnicos # 18, Editorial CIR, Manual de Consultas para Agua y saneamiento, Proyecto ALA 86/20 4. Manual de Hidráulica, J. M. De Azevedo Netto, Editorial Harla, AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 15