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Bombas GRUNDFOS España, S.A.Camino de la Fuentecilla, s/n28110 Algete (Madrid)Teléf.: + 34 918 488 800Fax: + 34 916 280 465
GRUNDFOS AGUAS RESIDUALES
MANUAL DE BOMBEODE AGUAS RESIDUALES
9648
8914
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MANUAL DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES
La utilización de bombas sumergibles para aplica-ciones de bombeo de aguas residuales y de drena-je ha aumentado considerablemente en las últi-mas décadas después de su aparición en el mer-cado. La introducción de bombas sumergiblespara servicio pesado con motores de más de 500kW significa que son también adecuadas para ser-vicios municipales de bombeo centralizados. Sugran calidad y los buenos resultados conseguidoshan eliminado prácticamente la utilización debombas convencionales en los servicios municipa-les.
Por la misma razón, debido a las característicasespeciales de las bombas sumergibles, ha sidonecesario desarrollar nuevos conocimientos res-pecto a su implementación, tal como el diseño deestaciones de bombeo. Esta labor ha sido desarro-llada tanto por fabricantes de bombas como poringenieros municipales.
La finalidad de este libro es ofrecer de forma con-cisa la información más reciente, tanto de bom-bas sumergibles como de estaciones de bombeo,para provecho de todos los profesionales quequieren estar al día. El libro está dividido en sec-ciones según los temas tratados.La sección 1 describe la teoría básica de bombeo,proporcionando información básica de referen-cias para evaluar el rendimiento de las bombas. Eldiseño y la construcción de las bombas sumergi-bles están descritos en la sección 2. La sección 3
trata sobre el funcionamiento de las bombas,ofreciendo métodos para calcular su funciona-miento en distintas instalaciones. Se comentantambién factores que influyen en la selección debombas. La sección 4 ofrece información de prue-bas de bombas. Se describe el diseño básico deestaciones de bombeo en la sección 5, proporcio-nando información del diseño, tanto para aplica-ciones grandes como pequeñas. La sección 6 des-cribe la regulación continua del funcionamientode las bombas sumergibles mediante control defrecuencia. El concepto del coste del ciclo vital debombas y estaciones de bombeo está presentadoen la sección 7. La sección 8 trata sobre temas rela-cionados con la puesta en marcha de las bombas,mientras que su funcionamiento y mantenimien-to están descritos en la sección 9. La sección 10trata sobre el control y la regulación de estacionesde bombeo. El apéndice A proporciona informa-ción de las características hidráulicas de los com-ponentes comunes de tuberías para calcular laspérdidas en las mismas. El apéndice B presenta unmétodo para determinar la capacidad de unaestación de bombeo de aguas residuales y la fre-cuencia de arranques de las bombas.
Nuestro objetivo es que este libro resulte fácil deleer y comprender. Por lo tanto, la presentaciónestá acompañada de muchas ilustraciones queofrecen ejemplos e información complementariade cada tema.
3
Introducción
Introducción
Índice
5
Indice
1 Teoría de bombeo ...................................... 71.1 Ecuación de altura .......................................... 71.1.1 Caudal con pérdidas o aumento de
energía ............................................................... 71.1.2 Líquido que fluye de un depósito ............... 81.2 Ecuación básica de bombas ......................... 81.3 Curva y pérdidas de bombas ....................... 101.3.1 Efecto del número finito de álabes ............101.3.2 Pérdidas por fricción Hf .................................101.3.3 Pérdidas por discontinuidad Hs .................. 101.3.4 Pérdidas por fugas Hv ..................................101.3.5 Otras pérdidas ................................................. 111.4 Cavitación y NPSH .......................................... 111.4.1 Definición de NPSH ........................................ 121.4.2 Plano de referencia .........................................121.4.3 NPSH necesario .............................................. 121.4.4 NPSH disponible ..............................................141.4.5 Margen de seguridad de NPSH ................... 151.4.6 Remanso de pozos de aspiración ............... 15
2 Construcción de bombas ...........................162.1 General ............................................................. 162.2 Bomba ...............................................................182.2.1 Impulsores ........................................................ 182.3 Motores .............................................................272.3.1 General ..............................................................272.3.2 Motores antideflagrantes ............................ 272.3.3 Refrigeración del motor ................................ 272.3.4 Estanqueidad del motor ...............................292.3.5 Cojinetes del motor ....................................... 312.3.6 Dispositivos de protección de motor ........ 322.4 Conexión de la bomba ..................................342.5 Materiales de construcción,
corrosión y desgaste ......................................362.5.1 Resistencia a la corrosión .............................362.5.2 Resistencia al desgaste ................................. 372.5.3 Líquidos abrasivos .......................................... 37
3 Funcionamiento de la bomba .................. 383.1 Altura de bomba ............................................ 383.1.1 Bomba sumergibles ..................................... 383.1.2 Bombas instaladas en seco ......................... 393.2 Curvas características de la bomba ...........393.2.1 Curva H ............................................................. 393.2.2 Curvas de rendimiento .................................403.2.3 Curvas de potencia ........................................403.2.4 Curva NPSH ..................................................... 403.3 Pérdidas en tuberías y curvas
características de la tubería deimpulsión .......................................................... 41
3.3.1 Pérdidas por fricción .......................................41
3.3.2 Pérdidas locales ...............................................433.3.3 Curva característica de la tubería de
impulsión .......................................................... 433.4 Tamaño de la tubería de impulsión ........... 443.4.1 Economía ...........................................................443.4.2 Paso libre de sólidos ....................................... 453.4.3 Prevención de depósitos de sólidos y
lodos ................................................................... 453.4.4 Golpes de ariete .............................................. 453.4.5 Prevención de golpes de ariete ....................473.5 Punto de trabajo de la bomba .....................483.5.1 Funcionamiento con una bomba ................483.5.2 Funcionamiento en paralelo,
bombas idénticas ............................................483.5.3 Funcionamiento en paralelo,
bombas diferentes ..........................................483.5.4 Funcionamiento en serie .............................. 493.5.5 Punto de trabajo real ..................................... 493.6 Bombeo de lodos ............................................ 503.7 Tuberías de impulsión complejas ............... 503.7.1 ¿Qué ocurre en una tubería de
impulsión compleja? ....................................... 513.7.2 Determinación de altura ................................513.7.3 Tamaño de la tubería y velocidad del
caudal .................................................................513.7.4 Elección de bomba ...........................................513.7.5 Medidas de ratificación ..................................523.8 Evaluación del punto de trabajo de
estaciones de bombeo paralelas ................. 52
4 Pruebas de bombas ..................................544.1 Dispositivos de pruebas .................................544.1.1 Pruebas de producción ...................................544.1.2 Pruebas in situ, punto de trabajo ................554.2 Pruebas de aceptación ...................................564.2.1 Normativas de pruebas ................................. 56
5 Estaciones de bombeo ...............................595.1 Diseño básico de estaciones de bombeo ..595.1.1 Volumen y área de la superficie de la
fosa húmeda .....................................................595.1.2 Tubería de entrada de la estación de
bombeo ............................................................. 605.1.3 Forma del suelo de la fosa húmeda ...........60 5.1.4 Niveles de parada ............................................ 615.1.5 Niveles de arranque ........................................625.1.6 Dimensión y diseño de la tubería de
aspiración ..........................................................625.1.7 Tubería interior de estaciones de
bombeo ..............................................................635.1.8 Dispositivos de agitado .................................645.1.9 Problemas de malos olores en
estaciones de bombeo ................................. 64
6
Indice
5.1.10 Ejemplos de diseño de estaciones debombeo ............................................................ 64
5.1.11 Posiciones de bombas instaladas en seco.................................................................... 67
5.2 Estaciones de bombeo prefabricadas...... 685.2.1 Estaciones de bombeo para instalación
en el exterior.................................................. 685.2.2 Estaciones de bombeo para instalación
en el interior.....................................................705.3 Estaciones de bombeo con bombas
instaladas en columna.................................. 705.4 Selección de dimensiones de
estaciones de bombeo ................................. 725.4.1 Estaciones de bombeo de aguas
residuales normales ..................................... 725.4.2 Estaciones de bombeo de aguas
pluviales............................................................ 725.4.3 Estaciones de bombeo combinadas de
aguas residuales y tanques de retención.......................................................... 73
5.5 Selección de bomba ..................................... 745.5.1 Selección de bomba basada en las
curvas de bomba............................................ 745.5.2 Comprobación del rendimiento de la
bomba ............................................................. 745.5.3 Número de bombas .................................... 755.6 Condiciones especiales................................ 765.6.1 Vibraciones de la bomba .......................... 765.6.2 Ruido de la bomba 77
6 Bombas de aguas residuales con control de frecuencia ............................... 78
6.1 General ............................................................. 786.1.1 Selección del motor de bomba ................ 786.1.2 Frecuencia máxima ....................................... 786.1.3 Frecuencia y funcionamiento mínimos ... 796.1.4 Curvas de frecuencias de la bomba .........796.1.5 Atascos de las bombas ............................... 806.1.6 Requisito de cable EMC ............................... 816.1.7 Corrientes en los cojinetes ......................... 816.1.8 Alta tensión .................................................... 816.1.9 Motores antideflagrantes ........................... 816.1.10 Valores garantizados .................................... 816.1.11 Pruebas con variador de frecuencia
(pruebas simultáneas) ................................. 816.1.12 Colaboración con el fabricante de
bombas ............................................................ 82
7 Evaluación del coste del ciclo vital de la bomba ............................................. 83
7.1 General .............................................................837.2 Periodo de cálculo ......................................... 83
7.3 Costes de inversión ....................................... 837.4 Costes de energía ......................................... 847.4.1 Rendimiento a lo largo del tiempo .......... 847.4.2 Cálculos de utilización de energía ............ 857.5 Costes de mantenimiento .......................... 857.6 Cooperación con proveedores de
bombas ............................................................ 867.7 Publicación del coste del ciclo vital ......... 86
8 Puesta en marcha .................................... 87
9 Funcionamiento y servicio ...................... 889.1 Seguridad ....................................................... 88
10 Control y comprobación del estado deestaciones de bombeo ............................ 89
10.1 Métodos de control local ............................ 8910.1.1 Unidades de control manual ..................... 8910.1.2 Unidades de control basadas en relés .... 8910.1.3 Controladores lógicos programables ...... 8910.2 Sensores para control y comprobación
del estado de la bomba ............................ 9010.2.1 Sensores del nivel de agua en fosas
húmedas ......................................................... 9010.2.2 Sensor de corriente ....................................... 9110.2.3 Medidor de kWh ........................................... 9110.2.4 Relé de fallo de fases .................................... 9110.2.5 Dispositivo de comprobación SARI 2 ........ 9110.2.6 Módulo de estado de alarma ASM 3 ....... 9210.3 Unidades de control de bombas .............. 9210.3.1 Características de control ........................... 9210.3.2 Características de la comprobación del
estado .............................................................. 9410.3.3 Parámetros y señales ................................... 9410.3.4 Registro y análisis de datos ........................ 9410.3.5 Interfase del usuario .................................... 9510.4 Sistema de control y comprobación a
distancia .......................................................... 9510.4.1 Diferentes niveles de control remoto ..... 9510.4.2 Software y hardware ................................... 9610.4.3 Transmisión de datos ................................... 9610.4.4 Transferencia de alarma .............................. 9710.4.5 Integración de sistemas .............................. 9710.5 Control y comprobación a distancia,
basados en Internet y WAP ........................ 97
Símbolos ........................................................... 100
Apéndice A ........................................................ 103
Apéndice B ......................................................... 111
1 Teoría de bombeo
Esta sección es un resumen de la teoría de bom-beo de líquidos y proporciona al lector los conoci-mientos teóricos básicos que son fundamentalespara una mayor comprensión del proceso de bom-beo.
1.1 Ecuación de altura
La figura 1 muestra parte de un caudal continuode líquido en un conducto. Entre las dos seccionesde observación 1 y 2 ninguna energía es transferi-da al/del líquido y se supone que el caudal notiene fricción. Por lo tanto, la energía total dellíquido de un plano de referencia horizontal Ttiene que ser igual en las dos secciones. La energíatotal incluye componentes de energía potencial,energía de presión y energía cinética, y para unapartícula de líquido con una masa m, la energía enlas secciones de observación es como sigue:
donde ! es la densidad del líquido y g es la acele-ración por gravedad.
Para un caudal sin pérdidas, la energía total en lassecciones 1 y 2 será igual, por lo tanto
Al dividir ambos lados de la ecuación con el térmi-no mg se obtiene
Esta ecuación se llama ecuación de Bernoulli, enreferencia al ingeniero que fue el primero en de-sarrollarla. Los términos de la ecuación son expre-sados como alturas, por lo que se denominanaltura estática, altura de presión y altura cinética
respectivamente.
La ecuación es esencial para mecánicas de fluidosy puede utilizarse para explicar muchos fenóme-nos hidrodinámicos, tales como la caída de pre-sión que acompaña una reducción en un áreatransversal del caudal. En este caso la velocidaddel líquido aumenta, y para que la altura total semantenga constante y suponiendo que la alturapotencial no cambia, la presión o altura estáticadebe disminuir.
1.1.1 Caudal con pérdidas o aumento deenergíaSi hay pérdidas en el caudal entre las secciones 1 y2 de la figura 1, la ecuación de altura 1 puede escri-birse
donde Hr es la pérdida de carga.
Si se añade energía al caudal, colocando unabomba entre las secciones 1 y 2 de la figura 1, laecuación 2 puede escribirse
donde H es la altura total de bombeo.
7
Teoría de Bombeo 1
Sección
Energíapotencial
Energía depresión
Energíacinética
v2
p2
p1
v1
h2
h1
2
Q
T
1
Fig. 1
Sección que muestra un caudal de líquido a travésde dos secciones de observación. T es un plano dereferencia de las alturas potenciales h1 y h2, p1 y
p2 son las presiones predominantes, y v1 y v2 son
las velocidades del líquido en las secciones 1 y 2.
1.1.2 Líquido que fluye de un depósitoUn ejemplo de aplicación de la ecuación deBernoulli es el cálculo del caudal de un líquido quefluye libremente de un depósito abierto.
La figura 2 muestra un depósito abierto con unorificio de salida cerca del fondo. Con fines prácti-cos se supone que el área A2 es mucho mayor queel área del orificio A2, y que la presión atmosféricap1 del depósito es igual a la presión por fuera delorificio, p2.
Si elegimos la línea central del orificio como planode referencia T, el término h2 es igual a cero y h1 esigual a h. A1 es mucho mayor que A2, por lo que
podemos suponer que la altura cinética es cero.
Por lo tanto, la ecuación de altura 1 puede escribir-se
por lo tanto
Para el caudal en volumen sin pérdidas se obtiene
Para compensar las pérdidas presentes se ha aña-dido un coeficiente de caudal µ a la ecuación 6,por lo tanto
El coeficiente de caudal µ depende de la forma delorificio y puede conseguirse en libros de textosobre la materia. Si se deja descender el nivel dellíquido del depósito, la altura de nivel h cambiará,lo que debe tenerse en cuenta en los cálculos.
1.2 Ecuación básica de bombas
Se utiliza la ecuación básica de bombas para cal-cular y diseñar formas geométricas y dimensionesde bombas centrífugas, así como para calcular lacurva Q/H de la bomba.
La figura 3 muestra un álabe de impulsor y susvectores de velocidad asociados.
v = velocidad absoluta del líquidow = velocidad relativa hacia el álabeu = velocidad perimetralVu = componente tangencial de la velocidad
absolutaVm= componente radial de la velocidad absoluta
La velocidad relativa es paralela al álabe en cual-quier punto dado.
También y XXX
Si suponemos que el caudal no tiene pérdidas y elnúmero de álabes es infinito ( ), podemos de-sarrollar la conocida ecuación básica de la teoríade bombeo, utilizando las leyes de la mecánica.Esta relación se conoce como la ecuación de Eulery se expresa como:
donde el índice t se refiere a un caudal sin pérdi-das y se refiere a la hipótesis de un número infi-nito de álabes que garantizan un sentido comple-to del líquido.
En una bomba real no puede garantizarse ningu-na de estas hipótesis, ya que siempre hay pérdidaspor fricción y el número infinito de álabes no lle-vará el caudal totalmente en el sentido del álabe.
8
1 Teoría de Bombeo
p2 = p2
p1
v1
h
T
v2
A1
A2
Fig. 2
Sección de un depósito de líquido con un orificio desalida cerca del fondo. A1 y A2 son las áreas trans-versales de la superficie y del orificio de salida, h esla diferencia de altura entre la superficie y la líneacentral del orificio, v1 es la velocidad de descenso dela superficie y v2 la velocidad de salida del líquidopor el orificio. La presión ambiente es constante.
8
8
El rendimiento hidráulico "h tiene en cuenta lareducción de altura ocasionada por pérdidas en elcaudal, y la reducción debida a la desviación delcaudal desde el óptimo ángulo #2 se compensamediante un coeficiente de álabe k. Con estasmodificaciones, la ecuación de Euler de unabomba real queda con sigue:
Puede mostrarse que tanto X como k son menoresque la unidad. Aquí no se comentarán más afondo.
Las bombas centrífugas están normalmente dise-ñadas con por lo tanto XX
Por consiguiente la ecuación básica de bombeo sesimplifica a
u2
v2
vm22
2
vu2
1
w1
12d
dvm 1
11
v1
u1
vu
9
Teoría de Bombeo 1
Álabe de impulsor de bomba con los triángulos de velocidad en los bordes delanteros y posteriores.Velocidad absoluta del líquido v, velocidad relativa w, velocidad perimetral del álabe u, componente tan-gencial de la velocidad absoluta del líquido vu y componente radial vm.
Fig. 3
1.3 Curva y pérdidas de bombas
La altura óptima obtenida con la ecuación deEuler es independiente del volumen de caudal Q.Si se traza la curva Q/Ht , Ht se indica con unalínea recta. Se obtiene la curva Q/H real, restandolos efectos del número finito de álabes y otras pér-didas que se producen dentro de la bomba. Ver lafigura 4.
1.3.1 Efecto del número finito de álabes Como ya se ha observado, un número finito deálabes disminuye la altura con el factor de álabek. Teniendo esto en cuenta, se obtiene la alturateórica Ht. Esto puede expresarse:
Ht no es del todo lineal, ya que el coeficiente delálabe depende ligeramente del volumen del cau-dal Q. La reducción de altura de Ht a Ht no se debea pérdidas de caudal, sino a la desviación del líqui-do de los ángulos de caudal óptimos debido alnúmero finito de álabes.
1.3.2 Pérdidas por fricción HfLas pérdidas por fricción se producen cuando ellíquido fluye a través de los conductos del impul-sor y la voluta de la bomba. Aumentan aproxima-damente con el cuadrado del caudal Q.
1.3.3 Pérdidas por discontinuidad HsLas pérdidas por discontinuidad se generan en lassiguientes áreas:
Los efectos de las pérdidas por discontinuidadestán indicados en la figura 4.
1.3.4 Pérdidas por fugas HvLas pérdidas por fugas se producen en la holguraentre impulsor y voluta. Aunque la holgura semantenga lo más pequeña posible, un pequeñoreflujo pasa desde el área de alta presión en elborde del impulsor hasta el área de baja presióndel impulsor. Por lo tanto, el caudal a través delimpulsor es algo mayor que el caudal por fuera dela voluta de la bomba y se alcanza la altura de labomba con caudal reducido, siendo la pérdida porfugas Hv la diferencia. El efecto de la pérdida porfugas está indicado en la figura 4. Esta pérdidaaumentará con el desgaste progresivo de labomba.
10
1 Teoría de Bombeo
·
·
·
En el borde delantero del álabe donde el líquidogolpea la punta del álabe. La pérdida es máspequeña en el punto característico de labomba, cuando el líquido llega en contacto conel álabe en su ángulo #1. Las pérdidas aumen-tan al aumentar la desviación del ángulo decontacto al ángulo #1 del álabe, ver la figura 5.Las pérdidas en el borde posterior del álabe seproducen debido a remolinos formados por elálabe. Éstos aumentan aproximadamente conel cuadrado del caudal. En la voluta de la bomba a caudales distintos alvalor proyectado, cuando la velocidad del cau-dal en la voluta es distinta a aquella en el perí-metro del impulsor. La figura 6 muestra el efec-to. Las diferencias de velocidad crean turbulen-cias que originan pérdidas. Éstas crecen alaumentar la diferencia entre el caudal actual yel caudal proyectado.
Reduction of flow, Q
Effect of finite number of vanes Ht
Friction losses Hr
Discontinuity losses HsHN
H
QN Q
caused by leakage losses, Hv
losses
Q > QN
Q = QN
Q < QN
w1'
v1'
v1
w1
v1"
w1"
u1
1
Fig. 4
Reducción real de la curva Q/H de la bomba (H)desde la altura teórica de la bomba Ht
Fig. 5
Velocidades relativas del borde delantero delálabe (w) y pérdidas a varios caudales. Las pérdi-das mínimas se producen al caudal nominal de labomba cuando el ángulo de ataque del líquido esigual al ángulo del borde delantero del álabe #1.
Reducción de caudal Q, originada porpérdidas por fugas, Hv
Efecto del número finito de álabes Ht
Pérdidas por fricción HrPérdidas por discontinuidad Hs
8
pérdidas
8 8
8
1.3.5 Otras pérdidasUna bomba centrífuga tiene pérdidas adicionalesque no afectan la curva Q/H, pero que aumenta-rán las demandas de energía del eje de motor.Estas incluyen:Para bombas sumergibles, las dos últimas estánincluidas en las pérdidas del motor.
1.4 Cavitación y NPSH
La cavitación se produce por la formación y roturade las burbujas de vapor en un líquido. Se formancuando la presión estática local de un fluido bajahasta o por debajo de la tensión de vapor del líqui-do a temperatura ambiente. Al moverse la burbu-ja con el caudal a un área de más presión se rom-perá rápidamente, lo que origina una ola de cho-que local transitoria muy alta en el líquido. Sitiene lugar cerca de una superficie y ocurre variasveces, el choque de presión erosionará finalmen-te el material de la superficie.
El fenómeno de cavitación ocurre típicamente enlas bombas centrífugas cerca del borde delanterodel álabe del impulsor, ver la figura 7. La cavitaciónpuede también reducir la curva Q/H y el rendi-miento de la bomba. Una bomba que cavita haceun ruido típico, como si se bombeara arena a tra-vés de la misma. Ningún material de bombasoportará la cavitación completamente, por loque hay que tener cuidado si las condiciones defuncionamiento de la bomba suponen riesgo decavitación.
Las marcas de desgaste producidas por la cavita-ción aparecen localmente y constan de picadurasprofundas con bordes afilados. La profundidad delas picaduras puede ser de varios milímetros, verla figura 8.
Las curvas publicadas de bombas sumergiblesestán normalmente dibujadas de forma que unabomba en una instalación sumergida normal nocavitará, siempre que el punto de trabajo esté enla sección permitida de la curva Q/H.
Vapour bubbles
Implodingvapour bubbles
( Q > QN )
11
Teoría de Bombeo 1
pérdidas por fricción en las caras exteriores delimpulsorpérdidas por fricción del cierrepérdidas por fricción de los rodamientos
·
··
Velocity in casing
Absolute velocity after impeller (vu)
Resulting lossesQ<QN Q=QN Q>QN
Fig. 6 Velocidad en la voluta
Velocidad absoluta después del impulsor (Vu)
Pérdidas producidas
Efecto de la diferencia de velocidad en la voluta dela bomba y en el perímetro del impulsor. Lasdimensiones de la voluta están diseñadas paracompensar el caudal nominal a la velocidad peri-metral, ocasionando pérdidas a otros caudales.
Líquido de bombeo que golpea el borde delantero delálabe en un ángulo distinto al ángulo del álabe. Se for-marán remolinos y zonas de baja presión en el otrolado del álabe. Si la presión cae por debajo de la ten-sión de vapor se formarán burbujas de vapor. Cuandoéstas son arrastradas por el caudal a un área conmayor presión terminarán por romperse. El consi-guiente impacto de alta presión puede ocasionarcorrosión y erosión de la estructura contigua.
Fig. 7 Rotura de burbujas de vapor
Burbujas de vapor
Impulsor con corrosión típica por cavitación.
Fig. 8
Si la bomba sumergible está instalada en seco conuna tubería de aspiración hay que verificar si lainstalación tiene cavitación. En estos casos se uti-liza el concepto de NPSH.
1.4.1 Definición de NPSHNPSH es la sigla de Net Positive Suction Head(Altura de aspiración neta positiva). Se utilizan lassiguientes alturas de presión para calcular elNPSH.
= altura geodésica de entrada= diferencia de altura entre el plano de referencia y la punta del borde delantero delálabe.= pérdidas de carga en la tubería de aspira-ción= caída de presión producida por la velocidadde aspiración= caída local de presión en el borde delanterodel álabe= temperatura ambiente en el nivel del líqui-do= presión estática mínima en la bomba= tensión de vapor del líquido a la tempera-tura predominante
Las alturas de presión están indicadas en la figura 9.
Para evitar cavitación, la presión estática mínimaen la bomba (Pmin) debe ser mayor que la tensiónde vapor del líquido, oLa figura 10 muestra el principio de distribución de
la presión estática del líquido en la tubería deaspiración, bomba y tubería de impulsión de unainstalación en seco.
1.4.2 Plano de referenciaEl plano de referencia es el plano en el que se rea-lizan los cálculos de NPSH. Es el plano horizontala través del punto central del círculo descrito porla punta del borde delantero del álabe. Para bom-bas horizontales, el plano de referencia coincidecon la línea central del eje. Para bombas vertica-les, el sitio del plano de referencia está indicadopor el fabricante.
1.4.3 NPSH necesarioSe obtiene el NPSH necesario mediante la siguien-te ecuación:
NPSH necesario =
Esto se llama también el valor NPSH de la bomba.Puede presentarse en función del caudal comomuestra la figura 11. Es independiente de la tem-peratura y del tipo de líquido bombeado. El fabri-cante debe indicar el NPSH como un valor numé-rico o una curva.
De hecho, cualquier bomba tendrá varios valoresNPSH, dependiendo de la definición del caso, ver
12
1 Teoría de Bombeo
hA
HORIZONTAL PUMP VERTICAL PUMP
Reference Plane
Minimum PressureNPSH
pming
Hrt
h
v02
2g
ht pb
pbg
required
Fig. 9
NPSHnecesario
BOMBA HORIZONTAL BOMBA VERTICAL
Presión Mínima
Plano de referencia
Dimensiones y presiones de referencia para calcular el NPSH.
la figura 12. Según las normativas de pruebas uti-lizadas por los fabricantes de bombas, el NPSHr sedefine como la situación en la que la altura de labomba disminuye un 3 % debido a cavitación. Estevalor se define como NPSH3.
Es posible que una ligera cavitación no dañe labomba si las burbujas de vapor no se rompencerca de las partes estructurales de la bomba, talcomo el álabe del impulsor.
La diferencia entre los distintos valores NPSH esmayor en bombas con impulsores de pocos ála-bes. Por lo tanto, los impulsores de un solo álabetienen las mayores diferencias en los valoresNPSH, produciéndose la diferencia por la caída dela curva NPSH3, por lo que las pruebas dan unaslecturas demasiado favorables. Por lo tanto, una curva NPSHr basada en la regla del 3 % del están-dar es una base deficiente para evaluar el riesgo
13
Teoría de Bombeo 1
Liquid static pressure
Vapour pressure
Absolute 0 pressure
Lowest pressure in pump
pbg
pming pv
g
pb ht
ht
Fig. 10
Variación de presión en una instalación en seco. Distribución de la presión estática del líquido en la tuberíade aspiración, bomba y tubería de impulsión.
Presión estática del líquido
Presión mínima en la bombaTensión de vapor
Presión 0 absoluta
NPSH required
(m)
Q N Q
Fig. 11
NPSH necesario
Variación típica de NPSH necesario con caudalde la bomba.
de cavitación en bombas con pocos álabes. Lacurva NPSHr publicada por el fabricante de bom-bas debe en principio garantizar que la bomba nose dañará si funciona por encima de dicha curva.Esto es especialmente el caso para bombas deaguas residuales que tienen pocos álabes deimpulsor. El problema es que no existe ningúnmétodo exacto para probar y establecer tal valorNPSH.
1.4.4 NPSH disponibleEl NPSH disponible indica la presión disponiblepara la aspiración de la bomba durante las condi-ciones predominantes. Esto puede llamarse NPSHde la estación de bombeo.
NPSH disponible =
El término ht es positivo cuando el plano de refe-rencia está por encima de la superficie del líquidoy negativo si está por debajo. El proyectista de laestación de bombeo determina el NPSH disponi-ble.
La figura 13 muestra la tensión de vapor para aguaen función de la temperatura del agua.
La figura 14 muestra la presión atmosférica enfunción de la altura sobre el nivel de mar.
14
1 Teoría de Bombeo
NPSH NPSHF (Cavitation free)
NPSHonset of noise
NPSHonset of material loss
NPSH0 (0% Head drop)
NPSH3 (3% Head drop)
Q
Fig. 12
Distintas curvas NPSH.
NPSHF (Sin cavitación)
NPSH principio de ruidos
NPSH principio de pérdida de material
NPSH0 (0% caída de presión)
NPSH3 (3% caída depresión)
Temp ( C) Head (m)
pvg
10010
1020
30
40
50
60
70
80
90
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0,5
Fig. 13
Temp. (ºC) Altura (m)
Tensión de vapor para agua en función de la temperatura.
Barometric
Altitude km
m H2Opressure
Fig. 14
Presión barométrica
Presión atmosférica en función de la altura sobreel nivel de mar.
1.4.5 Margen de seguridad de NPSHNPSHdisponible>NPSHnecesario+ Margen de seguridad
El margen de NPSH debe ser suficiente para quepueda haber variaciones en una situación dondelas condiciones reales pueden diferir de aquellascalculadas teóricamente. Las pérdidas de caudalen la tubería de aspiración pueden estimarseincorrectamente y el punto de trabajo real de labomba puede ser distinto al teórico debido avariaciones de la curva Q/H y cálculos incorrectosde la resistencia de la tubería de impulsión. Puedeproducirse cavitación dañina antes de lo espera-do, o a valores NPSH superiores al NPSH3 (figura12). Variaciones técnicas de fabricación de laforma del borde delantero del álabe puedeninfluir en el comportamiento de la cavitación. Laforma de la tubería de aspiración puede tambiénafectar el NPSH necesario.
Un margen de seguridad de 1 a 1,5 m es adecuadopara bombas instaladas en posición horizontalcon tuberías de aspiración rectas.
Hay que fijar el margen de seguridad en 2 a 2,5 mpara bombas instaladas en posición vertical,siempre que se utilice un codo reductor antes dela aspiración de la bomba. El radio de la curvaturalongitudinal del codo debe ser por lo menos D1 +100 mm, donde D1 es el diámetro del orificio másgrande.
En la publicación de EUROPUMP "NPSH PARABOMBAS ROTODINÁMICAS, GUÍA DE REFEREN-CIAS" (1977) se comentan en detalle el NPSH, már-genes de seguridad y métodos de medición delNPSH.
1.4.6 Remanso de pozos de aspiraciónPueden surgir situaciones en instalaciones realesdonde el nivel del líquido en la aspiración sube y laaltura de la bomba disminuye de modo que elpunto de trabajo de la bomba se mueve a un sec-tor donde NPSHr > 10mm. No obstante, no se pro-ducirá cavitación, ya que el NPSHdisponible subirátambién y estará todavía superior al NPSHnecesario.Instalaciones típicas donde se produce esta situa-ción son el bombeo de drenaje de diques secos,situaciones de obstrucción de alcantarillas y bom-beo de drenaje con niveles de aspiración variablesdel líquido.
15
Teoría de Bombeo 1
2 Construcción de bombas
Esta sección describe la construcción de las bom-bas sumergibles eléctricas modernas. Se comen-tan distintos diseños y los componentes principa-les de las mismas, así como temas relacionadoscon su funcionamiento y mantenimiento. El estu-dio se limita a bombas de aguas residuales muni-cipales, drenaje y aguas brutas.
2.1 General
La bomba sumergible consta de una bomba y unmotor eléctrico que forman una unidad cerrada,adecuada para instalación sumergida en una fosahúmeda que contiene el líquido de bombeo. Labomba sumergible puede conectarse a la tuberíade impulsión con una conexión de descarga espe-cial en el fondo de la fosa húmeda para facilitar suinstalación y desmontaje, o puede instalarseconectada mediante una manguera flexible uotros dispositivos a las tuberías de impulsión. Launidad recibe corriente mediante uno o máscables flexibles, suministrados con la bomba enlongitudes adecuadas para la instalación.
Muchas bombas sumergibles pueden tambiéninstalarse en seco, al igual que las bombas con-vencionales. Este tipo de instalación garantiza elfuncionamiento ininterrumpido de la instalaciónen el caso de inundación de la fosa seca.
Las bombas sumergibles están disponibles paranumerosas aplicaciones con requisitos diferentesy se han desarrollado distintos diseños paranumerosas aplicaciones especiales.
Una bomba sumergible consta de un motorestanco y los componentes de bomba adecuados,que son el impulsor, la voluta de bomba y las pie-zas de conexión necesarias para diferentes alter-nativas de instalación, incluyendo una uñeta guía
16
2 Construcción de bombas
Fig. 15
Sección de una bomba sumergible de 2,4 kWGRUNDFOS que muestra detalles de motor y bomba.La bomba lleva una uñeta guía para utilización conuna conexión de descarga sumergida en la fosahúmeda, facilitando su instalación y desmontaje.
Fig. 16
Sección de una bomba sumergible de 17 kWGRUNDFOS que muestra detalles de motor ybomba. La bomba lleva una uñeta guía para utiliza-ción con una conexión de descarga en la fosa húme-da, facilitando su instalación y desmontaje. La volu-ta de bomba es ajustable con tornillos de ajustepara mantener la holgura de la aspiración delimpulsor.
para instalación sumergida en una adecuadaconexión de descarga, un soporte para bombasportátiles y las bridas de conexión necesarias, unsoporte para bombas de instalación en seco y ani-llos de asiento para bombas instaladas en colum-na.
El motor es un motor eléctrico seco, tipo jaula deardilla, adecuado para una serie de componentesde bomba para distintos trabajos. El motor y labomba tienen un eje común, con los cojinetes ycierres alojados en el motor. El motor lleva tam-bién entradas de cable estancas y un asa paralevantar la unidad.
La figura 15 muestra una pequeña y modernabomba sumergible de aguas residuales y la figura16 una bomba sumergible de aguas residuales detamaño medio. Las bombas sumergibles de aguasfecales están disponibles con motores desdemenos de 1 hasta 500 kW para trabajos que vandesde uso portátil hasta instalaciones de bombeoprincipales de sistemas de alcantarillado de gran-des ciudades. La figura 17 muestra una bombasumergible para instalación en seco.
17
Construcción de bombas 2
Sección y dibujo de una bomba sumergible de 160 kW.Está prevista para instalación horizontal en seco y seconecta con juntas de bridas integradas, tanto a latubería de aspiración como a la de impulsión. Graciasal diseño sumergible no hay riesgo de daños de labomba en el caso de inundación de la instalación.
Fig. 17
a b c
S
SS
closed semi-open open
Fig. 18
Diferentes diseños de impulsor. El impulsor cerrado tiene paredes integrada a ambos lados de los álabes,mientras que el impulsor semiabierto sólo incorpora una pared en la parte trasera. Un impulsor abierto sóloconsta de un eje central y álabes, y depende de las holguras estrechas (s) a la voluta de la bomba para sufunción.
cerrado abierto abierto
2.2 Bomba
La bomba consta de impulsor y voluta, así comoequipo auxiliar y accesorios.
2.2.1 ImpulsoresLas bombas sumergibles tienen varios diseños deimpulsor, dependiendo del uso previsto. Losimpulsores pueden clasificarse como
impulsores para bombas de aguas residualesimpulsores para bombas trituradorashélices para bombas axiales
Pueden también clasificarse según su construc-ción como impulsores cerrados, semiabiertos oabiertos. Están ilustrados en la figura 18. Losimpulsores semiabiertos y abiertos dependen dela holgura entre impulsor y voluta (aprox. 0,5mm). Su rendimiento es muy sensible al desgastey disminuye rápidamente al aumentar la holgura.La figura 19 muestra el efecto del desgaste enimpulsores cerrados y abiertos sobre el rendi-miento de la bomba. Los impulsores abiertos ysemiabiertos son también susceptibles a atascosde impurezas entre el impulsor y la placa de aspi-ración, reduciendo la velocidad de la bomba oparándola.
Impulsores para bombas de aguas resi-dualesPara evitar que se obstruya o atasque la bomba, sehan desarrollado impulsores especiales para bom-bear aguas residuales. Constan de impulsoresmonocanal, de 2 canales y vortex. Los principiosdel diseño están ilustrados en la figura 20. Parabombas muy grandes de aguas residuales puedentambién utilizarse impulsores con muchos álabes.
Paso libreEl concepto de paso libre es de especial relevanciapara las bombas de aguas residuales. Se refiere asu capacidad de permitir el paso de sólidos a tra-vés del líquido bombeado, y por lo tanto a sus
18
2 Construcción de bombas
···
Winglets
Counterweights
Vortex impeller 1-channel impeller 2-channel impeller
Closed Impeller
Open Impeller
Operating time
Fig. 19
Fig. 20
Resultados de prueba de una comparación del efecto del des-gaste sobre el rendimiento de una bomba para distintos tiposde impulsor.
Impulsor cerrado
Impulsor abierto
Tiempo de funcionamiento
Aletas
Impulsor Vortex Impulsor monocanal Impulsor de 2 canales
Contrapesos
Tipos de impulsor para bombas de aguas residuales.
características contra atascos. La dimensión delpaso libre se refiere normalmente al mayor objetoesférico que puede atravesar el impulsor y los ori-ficios de la voluta. Si el paso libre está descrito condos números se refiere al mayor objeto oblongoque puede atravesar la bomba.
La capacidad de funcionar sin atascos está muyrelacionada con el paso libre, como puede verse eldiagrama de la figura 21. Para bombas pequeñas yde tamaño medio, un paso libre de 80 mm es nor-malmente suficiente para aguas residuales bru-tas. En bombas mayores (caudal >100 l/s) el pasolibre mínimo debe ser de 100 mm.
El paso libre en sí no garantiza que unas buenascaracterísticas contra atascos. La geometría delimpulsor y álabe debe también tener unas carac-terísticas que eviten obstrucciones. Bombas dediferentes fabricantes tienen calidades variablesen este aspecto. En algunos casos se ha soluciona-do un problema de atascos, cambiando a otramarca de bomba, incluso con bombas que tenganlos mismos pasos libres, el mismo número de ála-bes y la misma velocidad. La tendencia de lasaguas residuales a obstruir las bombas puedevariar de un lugar a otro, con estaciones de bom-beo "fáciles" y "difíciles". El diseño de la canaliza-ción del alcantarillado que conduce a la estaciónde bombeo es importante para la función de lasbombas, ya que éstas deben poder manejar cual-quier aglomeración de sólidos que se genera allí.Las condiciones reales en sistemas de aguas resi-duales no pueden simularse en laboratorios y lasbuenas características de las bombas de aguasresiduales GRUNDFOS contra atascos están basa-das en una larga experiencia en este campo.
Impulsores monocanalLa figura 22 muestra un impulsor monocanal. Elálabe sencillo está diseñado lo más largo posiblepara conseguir el rendimiento óptimo dentro delos límites fijados por el requisito de paso libre. Elimpulsor que tiene un solo sitio de paso del líqui-do de bombeo, garantiza unas buenas caracterís-ticas inherentes contra atascos. La forma asimé-trica exige que el impulsor incluya contrapesosintegrados para el equilibrio. El rendimiento máx.alcanzable es del 70 - 75 %.
19
Construcción de bombas 2
Clogging probability
Free passage (sphere) [mm]
40 60 80 100 120
Fig. 21
El diagrama muestra la relación entre la probabilidad deatascos y el paso libre de las bombas. Se consigue una buenaseguridad contra atascos con un paso libre de 80 mm.
Probabilidad de atascos
Paso libre (esfera) (mm)
Impulsor monocanal S-1 GRUNDFOS para aguas resi-duales. Tiene diseño semiaxial con un álabe continuolargo que garantiza unas buenas características con-tra atascos. El diseño asimétrico exige que el moldea-do incluya contrapesos para facilitar el equilibradoestático y dinámico del impulsor.
Fig. 22
Impulsores de dos canalesLa figura 23 muestra un impulsor de dos canales.La dificultad inherente con impulsores de doscanales es que impurezas fibrosas largas puedenentrar en ambos canales y quedar atrapadas porlos bordes delanteros del álabe, atascando labomba. Esta situación puede mitigarse con unbuen diseño del borde delantero del álabe, lo quesólo puede conseguirse mediante un trabajo dedesarrollo en condiciones reales en estaciones debombeo difíciles. Con un diseño correcto y unpaso libre de al menos 100 mm, los impulsores dedos canales pueden diseñarse para manejar aguasresiduales brutas sin atascos. El rendimiento máx.alcanzable es del 80 - 85% para impulsores de 2canales.
Impulsores de tres y cuatro canalesEn bombas muy grandes pueden utilizarse impul-sores de tres o cuatro canales y aún así tener unpaso libre de al menos 100 mm y un impulsor conbuenas características contra atascos. El diseñodel borde delantero del álabe es también decisivopara estos impulsores. El rendimiento máx. alcan-zable es del 82 - 86% para estos impulsores.
Impulsores VortexEl principio del impulsor vortex es la formación deun fuerte remolino en la voluta abierta de labomba. El bombeo de una bomba vortex es por lotanto indirecto, estando el impulsor fuera del cau-dal principal del líquido. Las bombas de impulsorvortex tienen unas excelentes característicasinherentes contra atascos, y su funcionamiento esmuy suave. La utilización de bombas pequeñas deimpulsor vortex para aguas residuales estáaumentando considerablemente durante los últi-mos años gracias al mejor diseño y rendimiento.Se utilizan también como bombas de separaciónde arena en plantas de tratamiento de aguas resi-duales. La figura 24 muestra un impulsor vortex.El rendimiento máx. alcanzable es de aprox. un50% para impulsores vortex. Es importante recor-dar que el rendimiento de bombas vortex a cau-dales de 3 -15 l/s es casi igual al de bombas mono-canal.
Gamas de caudal y altura (Q/H) para dife-rentes tipos de impulsores y bombassumergiblesLa figura 25 muestra las áreas de aplicación típicasde diferentes tipos de bombas de aguas residua-les e impulsores de la gama GRUNDFOS. Puedeverse que al aumentar el caudal y el tamaño debomba, el número de álabes del impulsor aumen-ta también. El diagrama muestra también el áreaQ/H, para el cual existen bombas sumergiblespara aplicaciones de aguas residuales. La bombamás grande de la gama GRUNDFOS tiene unmotor de 520 kW.
20
2 Construcción de bombas
Fig. 23 Fig. 24
Impulsor de 2 canales S-2 GRUNDFOS. Se consiguenunas buenas características contra atascos con bordesdelanteros del álabe rebajados y diseño semiaxial. Eldiseño simétrico está inherentemente equilibrado.
Impulsor SuperVortex GRUNDFOS. El diseño incluyealetas de álabe patentadas. Las aletas impiden la for-mación de remolinos secundarios por encima de losbordes del álabe, mejorando considerablemente elrendimiento de bombeo.
21
Construcción de bombas 2
Vortex 1-channel 3-channel 4-channel2-channel
Fig. 25
Fig. 26
Gamas de caudal y altura (Q/H) para diferentes tipos de impulsor.
Bombas trituradoras GRUNDFOS. La unidad de corte es de acero inoxidable endurecido.
1 canal 2 canales 3 canales 4 canales
Impulsores para bombas trituradorasSe han desarrollado bombas trituradoras para ins-talaciones con cantidades muy pequeñas deaguas residuales. Aplicaciones típicas son estacio-nes de bombeo para casas unifamiliares, peque-ñas explotaciones o zonas de camping. El caudalnecesario es muy pequeño, a veces menos de 1 l/s,pero la altura total puede ser grande debido atuberías de impulsión largas y estrechas. El caudalde una bomba trituradora es típicamente de 1 - 5l/s, con alturas hasta 50 m.
En las bombas trituradoras los sólidos son desme-nuzados en pequeños trozos de unos 10 mm, loque permite utilizar tuberías de impulsión depequeñas dimensiones, normalmente DN 40 - DN80. Para caudales muy pequeños de estaciones debombeo individuales pueden utilizarse tuberíasincluso más pequeñas, con el fin de conseguir unavelocidad del caudal de al menos 0,5 m/s.
Las bombas trituradoras no deben utilizarse paraaguas residuales que contengan arena, ya que launidad de corte es muy sensible al desgaste.Cuando se plantea su utilización para instalacio-nes grandes con varios edificios, se recomiendahacer siempre una comparación técnica y econó-mica con una solución basada en bombas conven-cionales.
La figura 26 muestra una bomba trituradoraGRUNDFOS. Una unidad de corte con cuchillasafiladas está instalada por fuera del impulsor. Launidad de corte es de acero inoxidable endureci-do.
Hélices para bombas axialesMuchos fabricantes de bombas han desarrolladobombas axiales que montan motores sumergiblesde bombas de aguas residuales. La figura 27muestra una bomba de caudal axial GRUNDFOScon hélice de paso regulable. El diseño incorporaálabes de bordes posteriores fijos que transfor-man el movimiento giratorio del agua en energíade presión, aumentando el rendimiento de labomba. Las bombas de hélice se instalan normal-mente en columna.
Se utilizan para aguas pluviales y bombeo deaguas de inundaciones, drenaje, riego y bombeode aguas brutas, así como bombeo de efluentesen plantas de tratamiento de agua. No son ade-
cuadas para aguas residuales sin tratar debido alriego de atascos. Las bombas de hélice pequeñas yde tamaño medio no son adecuadas para el bom-beo de circulación interna en plantas de trata-miento de aguas residuales, por ejemplo reflujode lodos, ya que pueden atascarse y agarrotarsedebido a las fibras que hay en estos líquidos. Elrendimiento máx. alcanzable para bombas dehélice es del 75 - 85%.
La gama de funcionamiento (área Q/H) de lasbombas de hélice GRUNDFOS está indicada en lafigura 28. Parte de la gama está también cubiertapor bombas de impulsor de canal para instalaciónen columna, que pueden ser la elección más ade-cuada para muchas aplicaciones. La elección finalentre las distintas bombas debe basarse en elpunto de trabajo deseado y la aplicación. Cuandose trata de procesos de selección para proyectosdifíciles debe consultarse con el fabricante debombas.
22
2 Construcción de bombas
Fig. 27
Bomba de hélice GRUNDFOS. El ángulo de lapala es ajustable para conseguir el rendimientoóptimo.
Como muestra la figura 29, se han desarrolladobombas axiales especiales para el bombeo derecirculación en plantas de tratamiento de aguasresiduales. Están previstas para funcionar a muypoca altura, sólo 0,3 -1,0 m, y gran caudal, hasta2000 l/s. Gracias al diseño son inatascables, conlas paletas inclinadas hacia atrás, gran holgura (10mm) entre las puntas de las paletas y la voluta ysin álabes delanteros. El rendimiento máx. alcan-zable para bombas circuladoras axiales es del 35 -50%. La pérdida de caudal en la salida del mangui-to es significativa para la altura. Si se utiliza unmanguito cónico pueden conseguirse más alturay reducirse las pérdidas.
23
Construcción de bombas 2
10
0 100 200 500 1000 2000 4000 5000
8
6
4
2
0
Fig. 28
Fig. 29
Gama de caudal y altura (Q/H) de bombas de hélice GRUNDFOS.
Bomba sumergible de recirculación para una plantade tratamiento de aguas residuales. La bomba sebaja a su sitio mediante barras guía.
Álabes auxiliares del impulsorLos álabes auxiliares del impulsor en la parte exte-rior de las paredes son una característica impor-tante de los impulsores de las bombas pequeñasde aguas residuales. Aumentan la velocidad delflujo del líquido en la holgura entre impulsor yvoluta. La figura 31 muestra la ubicación de losálabes auxiliares en un impulsor monocanal.
Los álabes auxiliares participan en el funciona-miento de la bomba, realizando las siguientesfunciones:
Disminuyen las cargas axiales en los cojinetes, especialmente si se utilizan impulsores semia-biertosReducen el desgaste del impulsor y voluta en laholgura de la aspiraciónImpide la acumulación de fibras en la holgurade la aspiraciónImpiden que fibras y jirones se enrollen alrede-dor del eje de la bomba por detrás del impulsor.
En impulsores grandes no pueden utilizarse ála-bes auxiliares que lleguen hasta el perímetro de lapared, ya que a grandes caudales causarían unacaída de presión por debajo de la tensión de vapordel líquido, ocasionando cavitación. No obstante,las bombas grandes son menos propensas a atas-carse debido al alto par motor. Por lo tanto, losimpulsores grandes no llevan álabes auxiliares enla entrada.
Holgura de la aspiraciónLa holgura entre impulsor y voluta debe ser lo máspequeña posible, con el fin de reducir las pérdidaspor fugas. Es del orden de 0,5 -1,0 mm para lamayoría de las bombas centrífugas. Su diseñopuede ser cilíndrico o axial, tal como muestran lasfiguras 32 y 33.
24
2 Construcción de bombas
Auxiliary
Pressure distribution
Pressure distribution
ps
p's
S
with auxiliary vanes
without auxiliary vanes
vanes
Fig. 30 Fig. 31
Bomba recirculadora GRUNDFOS
·
·
·
·
Álabes auxiliares
Distribución de presióncon álabes auxiliares
Distribución de presión sinálabes auxiliares
El efecto de los álabes auxiliares en la pared de la aspiraciónes una menor diferencia de presión p’s en la holgura de laaspiración. Con menos reflujo, la holgura de la aspiracióndurará más tiempo y se reduce el riesgo de atascos.
El funcionamiento y rendimiento de una bomba alo largo del tiempo dependen del mantenimientode la holgura de la aspiración dentro de los límitesespecificados. El efecto reductor de la holgura dela aspiración sobre el rendimiento y altura de labomba puede calcularse mediante la siguienteecuación empírica:
donde
Q = caudal (l/s)H = altura (m)s = holgura (mm)
y H son proporcionales.
Para impulsores semiabiertos el efecto aumentacon el factor 1,5.
La figura 34 muestra los resultados de una pruebadonde la bomba funcionaba con holguras de laaspiración variables.
Si la holgura aumenta hasta 2 - 3 mm para impul-sores sin álabes auxiliares y hasta 4 - 5 mm paraimpulsores con álabes auxiliares, hay que recupe-rarla para mantener el funcionamiento de la
25
Construcción de bombas 2
s = 1 mm
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
100
0 100 200 300 400 500 600
Fig. 32
Fig. 33
Fig. 34
Holgura cilíndrica de la aspiración. El diseño es pro-penso a atascos, ya que las fibras que quedan atra-padas en la holgura entre impulsor y voluta puedenacumularse y retener la bomba. Si hay desgaste, elanillo de desgaste en la tapa de la aspiración y elimpulsor deben cambiarse o remecanizarse.
Holgura axial de la aspiración. El diseño es menospropenso a atascos, ya que fuerzas de arrastre move-rán el material agarrotado hacia la aspiración de labomba. La holgura puede hacerse ajustable parafacilitar el mantenimiento y compensar el desgaste.
Efecto de diferentes dimensiones de la holgura de laaspiración sobre la curva y rendimiento de la bomba.
$" $
bomba. Si la holgura es ajustable, este procedi-miento lo realizan fácilmente los técnicos in situ,mientras que una bomba con holgura fija de laaspiración del impulsor tendrá que ser revisada enel taller o, lo que es peor, desmontada con costeselevados de repuestos y mano de obra.
En bombas con holgura axial ajustable de la aspi-ración siempre puede garantizarse el funciona-miento, controlando y ajustando la holguradurante el mantenimiento rutinario. La figura 35muestra el diseño de una bomba sumergible,donde la holgura de la aspiración está ajustadacon ayuda de tres tornillos de ajuste.
Grundfos ha desarrollado un diseño patentado(SmartTrim) para bombas de instalación en seco,que permite ajustar y recuperar la holgura de laaspiración, sin necesidad de sacar la bomba oabrir las conexiones de las tuberías. El ajuste noafecta las conexiones de las tuberías y no es nece-sario realinearlas. La figura 36 muestra el princi-pio. Para realizar el ajuste se cierra primero la hol-gura y a continuación se retroceden los tornillosde ajuste 1 mm. Después se aprieta la tapa de laaspiración contra los tornillos de ajuste con lospernos de fijación.
El margen de ajuste en las bombas Grundfos es de10 - 15 mm, dependiendo del tamaño de bomba. Elajuste está dimensionado para durar mientrasdure el impulsor.
Conexión del impulsorLa conexión del impulsor en el eje debe ser segu-ra, así como fácil de desmontar. Hay que sacarlapara el mantenimiento del cierre y para cambiar elimpulsor si la bomba se utiliza para materiales debombeo abrasivos. El impulsor puede tener unajunta cilíndrica o cónica en el extremo del eje.
Una junta del eje reducida al ángulo correcto esfácil de desmontar. La junta cónica se aprieta adi-cionalmente con un tornillo, por lo que queda rígi-da e inmóvil.
La junta está enchavetada para transmisión delpar. Un montaje sólido del impulsor es funda-mental para la seguridad de funcionamiento de labomba y hay que tener siempre mucho cuidado aldesmontar el impulsor. Se recomienda utilizarsiempre una llave torsiométrica para ajustar eltornillo del impulsor. El fabricante de bombasfacilita información correcta respecto al par deapriete y posibles recomendaciones de lubricantepara tornillos en cada caso.
26
2 Construcción de bombas
Fig. 35
Sistema de ajuste de la holgura de la aspiración contres tornillos de ajuste.
Fig. 36
Sistema de ajuste externo de la holgura de la aspira-ción de bombas instaladas en seco.
2.3 Motores
2.3.1 GeneralLos motores de las bombas sumergibles sonmotores eléctricos del tipo de jaula de ardilla,bobinados para corriente normal alterna trifásicao monofásica. Los motores monofásicos sóloestán disponibles para bombas pequeñas (2 kW omenores). Los motores están disponibles para 50 ó60 Hz y varias tensiones. Están construidos parafuncionamiento sumergido, Clase IP 68 según IEC.Las características eléctricas de los motoressumergibles están descritas detalladamente másadelante en este libro.
La bomba sumergible es una combinación fija deun motor y una bomba con eje y cojinetes encomún. El motor tiene una conexión directa a labomba, y algunos de los componentes de labomba, tales como la tapa de la voluta, puedenestar integrados con la brida de conexión delmotor. Para conseguir unos resultados óptimos,la bomba y el motor están diseñados juntos por elmismo fabricante, siendo el tamaño del motorapto para una serie de componentes de bombapara diferentes trabajos y gamas de funciona-miento. Las secciones de motor y bomba han sidoseleccionadas y diseñadas para eliminar sobrecar-gas en cualquier punto de trabajo en la curva de labomba.
Los motores sumergibles están normalmente lle-nos de aire. Los motores pequeños (1,5 kW ymenos) se hacen también llenos de aceite. El acei-te, que se utiliza también en transformadores, esde baja viscosidad, con el fin de mantener las pér-didas por fricción del rotor lo más pequeñas posi-ble. Los fabricantes no hacen motores más gran-des llenos de aceite debido a las crecientes pérdi-das y el menor rendimiento. Al tener menos pie-zas, motores llenos de aceite son más baratos quemotores llenos de aire.
2.3.2 Motores antideflagrantesLas bombas sumergibles están disponibles en ver-siones antideflagrantes para utilización en entor-nos donde el líquido de bombeo o la atmósferadel entorno puede contener gases explosivos. Estacircunstancia puede darse por ejemplo en empre-sas petroquímicas o cerca de ellas, pero otroslugares puede también definirse como explosivos,si así se considera necesario por motivos de segu-ridad.
El principio de los motores antideflagrantes es suseguridad contra la ignición de atmósferas poten-cialmente explosivas. Las dos siguientes solucio-nes técnicas alternativas están disponibles paracubrir el requisito:
El motor está diseñado para que la protecciónpueda soportar cualquier llama explosiva inter-na e impedir su propagación a los alrededoresexplosivos. Esto se llama Clase D.El motor está diseñado para que no puedanaparecer chispas o temperaturas altas dentrodel motor. Esto se llama Clase E.
Un motor antideflagrante está diseñado y cons-truido según las normativas fijadas por organis-mos reguladores internacionales (por ejemploEuronorm 50014 y 50019). Los requisitos paramotores de la clase D están detallados, incluyen-do entre otros la selección y dimensionamiento demateriales de construcción, tolerancias de diseñoy fabricación de la junta de voluta, utilización delvolumen interior del motor, así como la resisten-cia de la estructura y remaches. El requisito esen-cial de las juntas es que las superficies de contac-to tienen que ser más largas, ya que supuesta-mente sirven de aberturas de "extinción". La certi-ficación y homologación de un diseño están siem-pre sujetas a extensas pruebas, donde se determi-na la capacidad real de soportar explosiones inter-nas.
Los motores antideflagrantes de la clase E nonecesitan grandes modificaciones estructurales,pero se prueba la subida de la temperatura inte-rior a ciertas cargas. También deben impedirsechispas interiores mediante distancias adecuadasentre las partes giratorias y las estacionarias.
Los motores antideflagrantes están habitualmen-te basados en los diseños estándar del fabricantey son un complemento de éstos. Normalmente nose cambian las características de potencia y laspartes de bomba son comunes para ambos. Losrequisitos estructurales de los motores antidefla-grantes significan que son más caros que losmotores normales.
2.3.3 Refrigeración del motorLas pérdidas mecánicas y eléctricas en el motor seconvierten en calor que debe disiparse. En unmotor sumergible normal (ver figura 38) el calorse transfiere del alojamiento del estator al líquidopor inmersión. Para la refrigeración es normal-mente suficiente que el motor esté sumergido
27
Construcción de bombas 2
·
·
hasta aproximadamente su mitad. El nivel dellíquido puede mediante bombeo bajarse del tododurante periodos breves sin riesgo de sobrecalen-tar el motor.
De hecho, un motor que funciona en el agua deesta forma se enfría muy eficazmente, ya que larefrigeración continua después de la parada delmotor. Por lo tanto los motores sumergibles pue-den arrancar y parar con frecuencia, lo que favore-ce el diseño de las instalaciones de bombeo.
Temperatura permitida del aguaLa refrigeración de los motores sumergiblesdepende del líquido bombeado, sea por inmersiónu de otra forma. Por lo tanto, la temperatura delagua es esencial. Los motores están normalmentedimensionados para líquidos de +40ºC. Puedenaceptarse temperaturas de líquido superiores,pero hay que consultar con el fabricante respectoa la selección de bomba. Para temperaturas supe-riores el riesgo de cavitación debe también eva-luarse con un análisis del NPSH, debido al mayortensión de vapor del líquido.
Refrigeración de motores sumergibles eninstalaciones en secoMuchos motores sumergibles se instalan en secopor varios motivos. Hay que garantizar una refri-geración adecuada de estos motores, lo quepuede hacerse de varias formas:
Con una camisa de refrigeración que cubre elmotor o partes del mismo. Parte del líquido bom-beado es desviado a través de canales desde lavoluta de bomba hasta la camisa de refrigeracióndonde recircula cuando la voluta esté llena. Elagua entra en el espacio por detrás del impulsor através de una holgura de filtración (aprox. 0,5mm) y es circulada por los álabes auxiliares en laparte posterior de la pared alrededor del aloja-miento del estator del motor dentro de la camisa.El exceso de calor pasa al agua mediante convec-ción forzada, garantizando una eficiente refrige-ración. La figura 37 muestra el principio. La utiliza-ción de una holgura de filtración y canales derefrigeración lo suficientemente anchos hangarantizado que el sistema sea inatascable tam-bién en la práctica. La camisa de refrigeración esmuchas veces opcional en bombas pequeñas y detamaño medio para instalación en seco, mientrasque las bombas muy grandes llevan con frecuen-cia una camisa de refrigeración como estándar,independientemente del método de instalación.
En algunos casos, cuando el líquido bombeado esinadecuado para circulación en la camisa de refri-geración, puede utilizarse refrigeración externadel agua. En dichos casos la bomba se modificacon conexiones externas de agua en la camisa,taponando los canales de entrada desde la voluta.Un circuito de seguridad es necesario para prote-ger la bomba contra sobrecalentamiento debido ala interrupción del suministro externo de aguarefrigerante.
Con paredes gruesas del alojamiento del estator.Este diseño, adecuado para bombas sumergiblespequeñas, utiliza un alojamiento ensanchado delestator que lleva el calor desde el estator hasta ellíquido bombeado. En esta construcción la bridadel alojamiento del estator puede llegar en con-tacto directo con el líquido o mediante la brida dela tapa de la cámara de aceite. La brida puedediseñarse con una rebajo o canal para lograr buencontacto con el líquido. El alojamiento del estatorpuede también ser de aluminio en bombas insta-ladas en seco para aumentar todavía más la ter-modisipación. La figura 38 muestra la construc-ción.
28
2 Construcción de bombas
Bomba sumergible GRUNDFOS instalada en seco concamisa de refrigeración del motor. Parte del líquidobombeado es filtrado a través de una holgura de aprox.0,5 m y sigue recirculando en la camisa de refrigera-ción, la cual circula por la acción de bombeo de los ála-bes auxiliares de la pared posterior del impulsor. Seproporciona una eficiente refrigeración mediante ter-modisipación desde el estator al líquido de bombeo.
Fig. 37
Cuando se trata de bombas instaladas en seco,sólo una camisa de refrigeración ofrece una refri-geración del motor igual o incluso superior a lainmersión. Puede ser necesario disminuir lapotencia de otros motores para instalaciones enseco, limitando la selección de componentes debomba de la correspondiente gama.
Con un circuito interno de refrigeración, donde unlíquido refrigerante, por ejemplo glicol, es circula-da por un impulsor pequeño separado en el ejedel motor de la bomba. La bomba incorpora unintercambiador de calor entre el cuerpo de bombay el motor, donde el líquido refrigerante liberacalor al líquido bombeado. La complejidad del sis-tema puede plantear problemas.
2.3.4 Estanqueidad del motorLa entrada de agua en el motor ocasiona conti-nuamente daños o, si se detecta con dispositivosde seguridad, por lo menos la parada de la bombaPor consiguiente, el requisito principal y un aspec-to del diseño de los motores sumergibles es laintegridad completa contra fugas. Se garantiza laestanqueidad del motor mediante un buen dise-ño y control constante de la calidad, incluyendopruebas durante la fabricación.
Todas las juntas de los motores sumergibles estánmecanizados para ajustarse y se utilizan juntastóricas en todas partes. Para garantizar la estan-queidad se cambian cada vez que se abre unajunta para el mantenimiento.
La entrada del cable eléctrico al motor debe sertotalmente hermética. Un buen diseño utilizaarandelas de goma comprimible, que se adaptantanto al cable como al rebaje de entrada. Al mon-tar la arandela, la forma de las piezas de adapta-ción la comprime a la estanqueidad preestableci-da. Una abrazadera de cable por fuera del selladosoporta todas las cargas de tensión exteriores delcable, evitando tirantez en el cierre.
La posibilidad de entrada de agua a través delcable es una realidad. Si puede sumergirse elextremo libre del cable, el agua puede moversemediante acción capilar entre los hilos de cobre delos avances al motor. Esta acción incrementacuando la temperatura del motor cambia y elagua puede así entrar en un motor que por lodemás está intacto. Esta situación puede produ-cirse en bombas nuevas que han estado almace-nadas en la intemperie antes de la instalación,con el extremo de cable libre sin protección.
La mayoría de los fabricantes suministran susbombas con protección en los extremos de cablelibres. Llevan etiquetas que advierten a los alma-ceneros e instaladores del peligro de sumergir elextremo de cable libre.
Se necesitan conocimientos y herramientas espe-ciales para garantizar la estanqueidad de unmotor sumergible, por lo que se recomiendaenviar la bomba a un taller autorizado cuandohaya que repararla. Los fabricantes de bombasproporcionan información y herramientas espe-ciales a sus clientes. Para propietarios de muchasbombas sumergibles puede garantizarse un talleroficial propio.
Cierres del ejeEl cierre, que proporciona seguridad contra fugasdel líquido bombeado al motor, es uno de los com-ponentes más importantes de una bomba sumer-gible.
Las bombas sumergibles modernas utilizan casiexclusivamente un sellado del eje con dobles cie-rres mecánicos, separados por una cámara rellena
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Construcción de bombas 2
Bomba sumergible GRUNDFOS adecuada para instala-ción en seco o sumergida. La sección inferior con paredgruesa del motor sirve de conducto de calor al líquidobombeado. El alojamiento del estator puede ser de alu-minio para que el efecto sea todavía mayor.
Fig. 38
de aceite. Este arreglo, desarrollado y perfecciona-do a lo largo de los años, proporciona una protec-ción adecuada contra fugas y daños del motor enla mayoría de los casos.
La figura 39 muestra un arreglo de cierre mecáni-co utilizado en bombas sumergibles. Hay un cierreinferior o primario, y un cierre superior o secunda-rio.
Los cierres, que están separados por un baño deaceite, funcionan en diferentes condiciones. Estose refleja en su construcción con materiales dife-rentes. Ambos cierres tienen dos anillos de con-tacto deslizantes, un estacionario y uno que giracon el eje. Los anillos son presionados el uno con-tra el otro por la fuerza elástica y los anillos delcierre primario además por la presión de labomba.
El sellado entre los anillos deslizantes está basadoen sus superficies de contacto extremadamentelisas y planas. Las superficies tienen un contactotan estrecho que ninguna fuga, o sólo una fugamuy pequeña puede pasar entre ellas. La planei-dad y homogeneidad de los anillos están en lamagnitud de 0,0005 mm y las caras están acaba-das mediante lapeado. Los anillos deslizantes cie-rran contra el asiento estacionario o eje con juntastóricas. El material de las juntas tóricas ha sidoelegido elegida para soportar temperaturas altasy la acción corrosiva y disolvente del aceite del cie-
rre, así como las impurezas en el líquido bombea-do.
Ranuras en los anillos deslizantes estacionariosdel cierre primario evitan que giren en el asiento.Los anillos giratorios están inmovilizados deforma similar con uñas de arrastre. Clips de mue-lle o arandelas mantienen los anillos estaciona-rios en sus asientos durante situaciones anómalasde presión.
El material de las caras del cierre primario es nor-malmente duro, debido a la acción abrasiva dellíquido bombeado. El material utilizado hoy en díaes carburo de silicio (SiC), que tiene una durezacerca de 2000 en la escala de Vicker, casi igual queel diamante. Los anillos de carburo de silicio pue-den ser sólidos o convertidos. Los anillos de carbu-ro convertidos están sinterizados a SiC a una pro-fundidad de aprox. 1 mm, dejando el anillo inte-rior intacto. SiC tiene también muy buena resis-tencia contra la corrosión y puede utilizarse entodas las aplicaciones de aguas residuales y dre-najes.
Si el cierre secundario es lubricado con aceitepuede utilizarse una combinación de materiales.Un anillo estacionario de un material más blandocon buenas características de fricción, combinadocon un anillo giratorio duro, proporciona pocaresistencia de giro del cierre. La lubricación conaceite protege el cierre contra el desgaste. Losmodernos cierres secundarios tienen normalmen-te caras de carburo de silicio y carbono.
Las modernas bombas sumergibles utilizan cie-rres mecánicos, diseñados para un fin determina-do. Casi la mayoría de los fabricantes han desarro-llado buenos diseños. La figura 40 muestra undiseño patentado que combina un cierre primarioy uno secundario.
30
2 Construcción de bombas
Doble cierre mecánico GRUNFDOS con cierres secun-dario y primario.
Fig. 39
Todos los cierres mecánicos utilizados en bombassumergibles deben permitir el giro en ambos sen-tidos, ya que las bombas arrancan a menudo ensentido contrario o pueden volverse hacia atráspor el reflujo del agua en instalaciones sin válvu-las de retención.
Todas las bombas sumergibles con dobles cierresmecánicos tienen una cámara con aceite entre loscierres. El aceite realiza las siguientes funcionesvitales para los cierres y la bomba:
Lubricación de los cierres, especialmente elsecundarioRefrigeración de los cierresEmulsionamiento de posibles fugas de agua,por lo que resultan menos dañinosControl del estado del cierre. Al controlar elaceite del cierre durante el mantenimiento sepuede estimar el estado del cierre y número defugas.
Hay que evitar de sobrellenar la cámara de aceitedel cierre para que el aceite pueda absorber elagua de fugas por emulsionamiento e impediruna posible sobrepresión debida a termodilata-ción del aceite. El fabricante proporciona informa-ción de la cantidad de aceite y métodos de llena-do y control.
En aplicaciones especiales, donde el líquido bom-beado contiene materiales muy finos, el cierre pri-mario puede abrirse a consecuencia de materialacumulado en las caras del anillo deslizante. Endichos casos puede ser necesario hacer arreglospara lavar el cierre externamente de forma conti-nua. El fabricante y el cliente consideran siempreestas instalaciones por separado para cada caso.
La esperanza de vida de un cierre mecánico nopuede determinarse teóricamente, ni siquieramediante pruebas de laboratorio. Es también difí-cil predecir el funcionamiento con el paso deltiempo. La vida de los cierres varía mucho de uncaso a otro, de unos pocos años a más de 15.
2.3.5 Cojinetes del motor
Cargas de los cojinetesLos cojinetes de las bombas sumergibles llevan lacarga combinada de bomba y motor aplicada enel eje común. Las siguientes fuerzas actúan en loscojinetes, radial o axialmente:
fuerza hidrodinámica radialfuerza hidrodinámica axialfuerza magnética radialpeso de las partes giratorias
Las fuerzas significativas que actúan en los cojine-tes son las hidrodinámicas.
La fuerza hidrodinámica radial es el resultado dela distribución de presión en el perímetro delimpulsor en varias posiciones relativas a la volutade bomba. La fuerza radial depende de varios fac-tores de diseño, así como del punto de trabajo dela bomba.
La fuerza hidrodinámica axial es el resultado delas fuerzas inducidas por el impulsor que desvíanel caudal de la aspiración axial a la descargaradial, así como de la diferencia de presión entre ellado de aspiración y el de presión del impulsor. Lafuerza axial está muy relacionada con el caudal ypunto de trabajo de la bomba.
CojinetesSe utilizan cojinetes de rodillos en todas partes delos motores de bombas sumergibles. Los cojinetesde bolas se utilizan debido a su capacidad desoportar tanto las cargas axiales como las radia-les. En motores muy grandes se utiliza una combi-nación de cojinetes de bolas y de rodillos debido a
31
Construcción de bombas 2
Doble cierre mecánico integrado GRUNDFOS.
Fig. 40
·
··
·
····
las grandes fuerzas sobre los componentes.
Para permitir termodilatación del eje y toleranciasde fabricación, el cojinete superior del eje puedetener movimiento axial, mientras que el eje infe-rior está inmovilizado axialmente.
La selección de cojinetes se rige por normativasinternacionales respecto a su duración. Según lanorma ISO 5199, "Bearing rating life (B10)" debendurar al menos 17500 horas.
Los cojinetes de las bombas sumergibles se lubri-can normalmente de por vida en la fábrica debombas, utilizando una grasa especial, adecuadapara las altas temperaturas de funcionamientopermitidas en motores sumergibles.
2.3.6 Dispositivos de protección de motorLos motores sumergibles llevan varios dispositivosde protección para evitar daños ocasionados porlos siguientes motivos:
sobrecalentamientoentrada de aguafallo del cierrefallo del cojinetedeterioro del aislamiento del bobinado
Algunos dispositivos de protección son estándar,mientras que otros sólo están disponibles comoequipo adicional bajo pedido. Las bombas gran-des necesitan mejores dispositivos de proteccióndebido a su mayor valor económico.
Los dispositivos de protección pueden dividirse endispositivos internos con sensores dentro delmotor y dispositivos externos en el panel de con-trol del motor.
Dispositivos de protección internosLos siguientes dispositivos de protección se mon-tan dentro del motor:
Térmicos en los bobinados del estator. Son nor-malmente interruptores bimetálicos pequeñosque abren a una temperatura fija preajustada,ver la figura 41. Se utilizan tres interruptores,uno en cada fase, en los motores trifásicos.Están conectados en serie en el circuito de con-trol, que está cableado para parar el motorcuando se abre. Después de enfriarse, los inte-rruptores se rearman y cierran el circuito,pudiendo rearrancarse la bomba. Los térmicosen los bobinados protegen el motor contra
sobrecalentamiento ocasionado por una refri-geración insuficiente y son especialmenteimportantes en bombas que dependen de lainmersión para su refrigeración.La entrada de agua en el motor cerrado puedecontrolarse mediante un interruptor de hume-dad que reacciona al exceso de humedad. Elinterruptor de humedad se conecta normal-mente en serie con los térmicos en un circuitoque desconecta la bobina del disyuntor y parael motor al abrirse. La figura 42 muestra uninterruptor de humedad que funciona cuandola humedad alcanza el 100 %. El interruptor dehumedad es irreversible y no se rearma des-pués de dispararse. En un circuito común coninterruptor de humedad y térmico puede deter-minarse el dispositivo que se ha abierto, ya quesólo los térmicos se vuelven a cerrar después deenfriarse. Hay que abrir y secar el motor antesde intentar de rearrancarlo después de dispa-rarse el interruptor de humedad.La entrada de agua en el motor cerrado pordetrás de los cierres mecánicos puede contro-larse mediante un sensor detector de fugas enla cámara de aceite del cierre. Los aceites demotor normales utilizados como aceite de cie-rre en bombas sumergibles pueden formar unaemulsión con hasta un 30 % de contenido deagua. El detector de fugas reacciona cuando elcontenido de agua supera el 30 % (detectoresconductivos) o controla el contenido de aguacontinuamente (detectores capacitivos). Losúltimos pueden calibrarse para que se disparena cualquier contenido de agua y utilizarse paracontrolar indirectamente el estado del cierreprimario, verificando la entrada de agua a lo
32
2 Construcción de bombas
··· ··
·
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·
Térmico. La unidad consta de un interruptor bimetáli-co muy pequeño que se abre según la temperaturafijada en el interruptor. Puede conectarse en el panelde control para cortar la corriente si la temperaturadel motor sube demasiado.
Fig. 41
largo del tiempo (fugas). Los detectores defugas normalmente no son estándar, sino estándisponibles como equipo adicional.La entrada de agua en el motor cerrado median-te flujo capilar por el cable eléctrico antes deinstalar la bomba puede evitarse, montando enfábrica una funda protectora hermética en elextremo de cable libre. No debe quitarse hastaque se conecte el cable al panel de control.El estado de los cojinetes y/o grasa de los coji-netes puede controlarse mediante sensores tér-micos en el soporte de cojinetes. Se instalancerca del anillo guía exterior del cojinete, y secalibran para registrar la temperatura del coji-nete. Los sensores térmicos están disponiblescomo equipo adicional.
Dispositivos de protección externosLos siguientes dispositivos de protección estánmontados en el panel de control del motor:
La protección contra cortocircuito se realizamediante fusibles, disyuntores o proteccioneselectrónicas de motor. Los fusibles y disyunto-res deben dimensionarse para soportar laintensidad de arranque del motor, pero el valorno debe ser superior al del cable eléctrico o con-mutador. Cuando se utilicen fusibles, éstosdeben ser del tipo de acción retardada.Se necesita protección contra sobrecarga enuna situación repentina de sobrecarga, talcomo cuando el impulsor empieza a tener pro-blemas de funcionar o se agarrota, cuando labomba se atasca o durante la pérdida de fase
del suministro eléctrico. La protección contrasobrecarga la proporciona a menudo relés desobrecarga, acoplados a los contactores delmotor. Constan de elementos bimetálicos concompensación de temperatura ambiente quedesconectan la corriente a los serpentines delcontactor si la corriente supera el valor especifi-cado ajustado. Los relés de sobrecarga propor-cionan buena protección contra la pérdida defase del suministro. Deben ajustarse de acuer-do con la intensidad nominal del motor.Cuando se utiliza arranque estrella triángulo, lacorriente a través del relé de sobrecarga sereduce con el factor 0,58 lo que hay quetener en cuenta al ajustarlo. La figura 43 mues-tra un relé de sobrecarga.El aislamiento del bobinado del estator se con-trola mediante un dispositivo automático demedición de la resistencia que mide la resisten-cia entre las fases y entre las fases y tierra cadavez que la bomba para. Pueden ajustarse nive-les de alarma de la resistencia, evitando corto-circuitos y daños de los bobinados.
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Construcción de bombas 2
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Interruptor de humedad GRUNFDOS. La unidad cons-ta de varios discos sensibles a la humedad, apiladosen una varilla de mando, y un microinterruptor. Losdiscos higroscópicos se dilatan en contacto con dema-siada humedad, y tiran de la varilla de mando. Unaleva en el extremo de la varilla dispara el microinte-rruptor y corta el circuito. La unidad es irreversible yhay que cambiarla después de su utilización.
Fig. 42
Relé de sobrecarga térmica. El relé conecta con el con-tactor del motor y corta el corriente si la carga eléctri-ca supera el valor ajustado.
Fig. 43
2.4 Conexión de la bomba
Al instalar una bomba sumergible en instalaciónsumergida sólo se conecta a la tubería de descar-ga. Para instalaciones fijas se utiliza normalmenteuna base de autoacoplamiento.
Base sumergibleEl concepto de base sumergible ha sido desarro-llado a lo largo de los años para utilización conbombas sumergibles. Permite bajar la bomba a lafosa y conectarla firmemente a la tubería de des-carga sin que ningún operario tenga que entrar enla fosa. De la misma manera, la bomba puedeextraerse sin peligro de la fosa para manteni-miento. El sistema incluye barras o tubos queguían la bomba hacia abajo hasta la base. Unabrida especial, o uñeta de guía, en la descarga dela bomba encaja en las superficies de unión de labase para una firme conexión. Los sistemas parafosas están diseñadas con precisión y tienensuperficies mecanizadas y anillos de cierre de
goma para una conexión fuerte y hermética. Labomba se mantiene en sitio por su propio peso. Lafigura 44 muestra la base y las barras guía de unabomba sumergible.
La figura 45 muestra un cierre flexible, diseñadode forma que la acción de cierre aumenta todavíamás por la presión de la bomba, garantizando unaconexión hermética en todo momento.
Algunos fabricantes de bombas ofrecen kits deconversión para la conexión de bombas a viejasbancadas o como bombas de sustitución para labase de otro fabricante. Por lo tanto, la mejora oconversión de estaciones de bombeo existentespuede hacerse con un trabajo y costes mínimos.
34
2 Construcción de bombas
Base sumergible GRUNDFOS. Cuando la bomba estácolocada, su peso la mantiene firmemente en sitio.Superficies de conexión mecanizadas con precisión yun cierre de disco de goma garantizan la estanquei-dad. Una holgura entre la uñeta de guía y las barrasgarantizan una extracción sin dificultades, incluso encondiciones contrarias.
Fig. 44
Cierre flexible entre la brida de presión de la bomba yel conector. El cierre está diseñado de forma que laacción de cierre aumenta todavía más por la presiónde la bomba, garantizando una conexión herméticaen todo momento.
Fig. 45
Conexión de mangueraLa figura 46 muestra una instalación sumergiblecon conexión de manguera. Puede utilizarse parainstalaciones temporales o para aplicaciones enlas que se desplaza la bomba dentro de la fosahúmeda para bombear lodos.
Instalación en columnaEl concepto de instalación de bombas sumergi-bles en columna ha sido desarrollado durante losúltimos años. Se baja la bomba a un tubo verticalo columna, donde la voluta circular de la bombase ajusta en un anillo de asiento instalado en elextremo inferior de la columna, ver la figura 47. Labomba permanece en sitio por su propio peso ypor la fuerza de presión de la acción de bombeo.La voluta está diseñada específicamente para lainstalación y lleva álabes posteriores. El anillo deasiento es cónico, lo que garantiza una conexiónhermética entre bomba y columna. La conexiónhermética y uñetas impiden que la bomba patineal arrancar.
La instalación en columna es idónea para bombassumergibles de hélice, pero también para bombasde aguas residuales para grandes caudales y altu-ras pequeñas a medianas. La figura 48 muestra elárea Q/H en la que las bombas de instalación encolumna GRUNDFOS están disponibles. Para estagama la instalación en columna supone probable-mente unos menores costes de inversión, perocada proyecto debe evaluarse por separado. Lasbombas instaladas en columna tienen el mismorendimiento que bombas previstas para otrostipos de instalación, pero las curvas de las bombasson ligeramente diferentes debida a la volutaabierta. La instalación en columna es muy ade-cuada para el bombeo de lodos de retorno enplantas de tratamiento de aguas residuales. Eltubo de columna puede ser de acero inoxidable oacero galvanizado en baño caliente.
En instalaciones con agua de mar, una columnade acero inoxidable puede crear un fuerte ele-mento galvánico que ocasiona corrosión de labomba. Especialmente piezas de bomba galvani-zadas se corroerán rápidamente debido a laacción galvánica del gran área catódica de la
35
Construcción de bombas 2
Bomba sumergible en un soporte con conexiónde manguera. Esta versión de instalación se uti-liza para instalaciones temporales o portátiles.
Fig. 46
Seat ring
Instalación de bomba en columna. La bombaestá apoyada en un anillo de asiento cónico ins-talado en el fondo de la columna.
Fig. 47
Anillo de asiento
columna alrededor de la bomba. Por ejemplo, unacadena de elevación que quedará en su sitio debeser de acero inoxidable. La bomba de fundicióndebe estar protegida por ánodos fungibles que secambian a intervalos regulares. Si se aplica unacapa de pintura de por lo menos 200 de gro-sor a la columna, se evita la formación de la super-ficie catódica y por lo tanto corrosión de la bomba.
2.5 Materiales de construcción,corrosión y desgaste
2.5.1 Resistencia a la corrosiónLa fundición es el material principal de construc-ción en las bombas sumergibles de aguas residua-les, con tornillos y accesorios en acero inoxidable.El eje de la bomba es totalmente de acero inoxi-dable o está protegido contra el contacto con loslíquidos de bombeo. Cuando la bomba o baseincluye piezas de acero soldadas, éstas están gal-vanizadas en baño caliente. Dichos materialesdurarán décadas en trabajos normales de aguasnegras.
Cuando el líquido bombeado contiene efluentesindustriales es posible que la resistencia a lacorrosión de la fundición no sea suficiente, espe-cialmente para partes que están expuestas a velo-cidades altas del caudal, tales como impulsores yvolutas de bomba, que estarán expuestos a lacorrosión por erosión. En estas aplicaciones, la capa natural de la corrosión que proporciona una
protección natural al material que está por debajo de esta capa desaparece debido al rozamiento,ocasionando rápidamente corrosión. Puede sernecesario utilizar materiales inoxidables paraestas partes sensibles.
La corrosión en agua de mar depende de variosfactores, tales como la salinidad, contenido deoxígeno, contaminación y temperaturas. Hay quepensar en la selección correcta de material paracada caso. Ánodos de zinc protectores fungiblespueden proteger contra la corrosión en algunoscasos.
El material del forro del cable eléctrico debesoportar aceites y otros agentes contaminantespresentes en las aguas residuales. Otras piezas degoma, tales como juntas tóricas, son normalmen-te de nitrilo o neopreno para que sean resistentescontra aguas residuales, aceites y productos quí-micos.
Las bombas sumergibles están también disponi-bles totalmente en acero inoxidable para utiliza-ción en líquidos altamente corrosivos, tales comoefluentes de industrias de procesos. Las bombasen acero inoxidable son 3 – 4 veces más caras quelas bombas fabricadas en materiales ordinarios.Para aplicaciones difíciles es posible que el fabri-cante no pueda garantizar las características anti-corrosivas para un caso específico, pero colabora-rá con el cliente con el fin de encontrar la soluciónacertada para el caso.
36
2 Construcción de bombas
Gama de caudal y altura (Q/H) de bombas GRUNDFOS instaladas en columna.
Fig. 48
Sólo
bombas
de hélice
µm
2.5.2 Resistencia al desgasteEl contenido de arena en aguas residuales es portérmino medio entre el 0,002 y 0,003 % (en volu-men). Puede periódicamente ser mucho mayor enzonas con sistemas combinados de aguas residua-les y drenaje de aguas de lluvia, por ejemplodurante fuertes lluvias y cuando se derrite lanieve. Una fundición normal durará años en lamayoría de las aplicaciones, pero puede ser nece-sario pensar en materiales especiales para efluen-tes muy abrasivos, tales como el bombeo desare-nador en plantas de tratamiento de aguas resi-duales.
2.5.3 Líquidos abrasivosEl funcionamiento de una bomba en un líquidoabrasivo depende en gran medida del contenidode abrasivos. El cuarzo normal o la arena de silicioes el abrasivo común, al que puede aplicarse losiguiente directamente.
El contenido de arena se expresa como contenidoen volumen o peso de la siguiente forma:
donde pm es el contenido en peso y pv el conteni-do en volumen en %. Así pv= 5 % igual a pm= 15 %.
La densidad de la mezcla de líquido/arena aumen-ta cuando el contenido de arena aumenta. Lapotencia necesaria de la bomba está relacionadadirectamente con la densidad del líquido de bom-beo, por lo siempre que se bombeen líquidos conalto contenido de arena habrá que comprobar porseparado la potencia necesaria en cada caso, paragarantizar el funcionamiento de la bomba. Parabombas desarenadoras en plantes de tratamientode aguas residuales una reserva de potencia del30 % ha resultado adecuada.
La densidad de una mezcla de agua y arena puedeescribirse
!=1+0,007pm (16)
donde pm se expresa en %.Pues, si pm = 15 %, ! = 1,1 kg/l.
Los siguientes factores influyen en el desgaste deuna bomba:
contenido de arenacalidad de la arenamaterial de bombaaltura de bombatipo de impulsor
La figura 49 es un diagrama que muestra las rela-ciones entre el desgaste de la bomba y el conteni-do de arena y la altura de la bomba. Un alto con-tenido de arena en el líquido tendrá un efecto dra-mático en la vida útil de la bomba. El efecto delcontenido de arena se agrava con una gran alturade la bomba.
El desgaste de la bomba puede minimizarse utili-zando materiales resistentes al desgaste y con undiseño adecuado. Para conseguir resultados mejo-res deben utilizarse materiales con una durezasuperior a 500 HB. La mecanización difícil demateriales duros, tales como Nihard y algunoshierros aleados, puede necesitar diseños especia-les de impulsor y voluta donde se minimiza lamecanización.
La utilización de bombas sumergibles en entornosabrasivos debe considerarse por separado en cadacaso, utilizando criterios técnicos correctos.
37
Construcción de bombas 2
···· ·
Sand contentPm [%]
Pump head H0 [m]
Pump service life [h]1
0,110000100010010
0,2
0,5
1
5
10
20
50 20 10 5
El desgaste es una función del contenido dearena y la altura de la bomba. H0 es la altura dela bomba a Q=0. El desgaste se expresa comovida útil esperado de un impulsor en fundición ydepende en gran medida del contenido de arenay altura de la bomba. El gráfico está basado enexperimentos y puede utilizarse generalmente.
Fig. 49Contenido de arena
Altura de la bomba
Vida útil de la bomba [h]
3 Funcionamiento de labomba
El funcionamiento de la bomba es el resultado dela interacción entre la bomba y la tubería deimpulsión o de presión. Hacemos una introduc-ción a la selección de bombas, así como el cálculode las características de resistencia de la tuberíade impulsión.
3.1 Altura de bomba
3.1.1 Bombas sumergiblesEl concepto de altura se refiere en lo siguiente abombas sumergibles. Con fines prácticos se supo-ne que la presión en la fosa de bomba, o fosa infe-rior, es igual a la presión predominante en eldepósito receptor o superior. Si estos depósitostuviesen presiones diferentes, habría que tener encuenta la diferencia de presión. Tampoco hacefalta tener en cuenta la diferencia de la presiónatmosférica en todas las instalaciones reales, yaque la diferencia de la presión atmosférica entreun depósito receptor colocado por ejemplo 100 mpor encima de la fosa de la bomba es sólo 0,001bar ó 0,01 m.c.a.
La figura 50 muestra como se define la altura enuna instalación de bombas sumergibles. Se utili-zan las siguientes unidades:H = altura total de la bomba (m)Hst = altura estática de la bomba (m)Hd = altura dinámica de la bomba (m)Hgeod = altura geodésica (m)Hj = pérdida en las tuberías (m)PL = presión atmosférica en la fosa de bombaPU = presiones atmosféricas en el depósito
superiorV2 = velocidad del caudal en la salida (m/s)g = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)
Si un tubo de observación está instalado en labrida de descarga de la bomba, el líquido bom-beado subirá en la brida hasta una altura Hst
desde el nivel de la fosa. Esta altura representa laaltura estática de la bomba. Además, el líquidotiene una velocidad V2 en la descarga de labomba, que puede convertirse en presión o alturadinámica Hd con la siguiente ecuación:
La suma de la altura estática y la dinámica es laaltura total de la bomba, por lo tanto
Según acuerdo internacional (Norma ISO 2548), seutiliza la altura total H conforme a la ecuación 18para diseñar curvas características de bombassumergibles.
Por lo tanto, la altura total H está disponible parabombear el líquido a través de la tubería de impul-sión. La presión o altura necesaria para bombearun caudal específico a través de una tubería secompone de la altura geodésica y las pérdidas decarga. Por lo tanto puede escribirse:
La altura geodésica Hgeod es la diferencia física realde altura entre los niveles de líquido de la fosa ydel contendor receptor. Las pérdidas de caudal enla tubería constan de pérdidas por fricción en latubería, pérdidas locales desde varias conexionesen la tubería (codos, válvulas, etc.) y la pérdida desalida en el punto de descarga.
38
3 Funcionamiento de la bomba
Fig. 50
Componentes de altura en instalaciones debombas sumergibles.
Las pérdidas ocasionadas por el caudal del líquidoen la fosa hasta la bomba se consideran comopérdidas de bomba en instalaciones de bombassumergibles. Si la tubería de aspiración está insta-lada antes de la bomba hay que tenerlo en cuentaa la hora de calcular las pérdidas en las tuberías.
3.1.2 Bombas instaladas en secoAl calcular las alturas de bombas instaladas enseco deben también tenerse en cuenta las condi-ciones delante de la bomba. La figura 51 muestrala situación.
En este caso se supone que la fosa de aspiración yel depósito receptor están abiertos a la atmósferay que la presión en las superficies del líquido esconstante. Por lo tanto, la altura de la bomba es lasuma de la altura geodésica y las pérdidas de cau-dal en las tuberías de aspiración e impulsión.Entonces
donde Hjt representa las pérdidas de caudal en latubería de aspiración y Hjp las pérdidas de caudalen la tubería de impulsión.
3.2 Curvas características de la bomba
Las características de las bombas centrífugas sepresentan normalmente como una serie de cur-vas, donde los datos han sido establecidosmediante pruebas de las bombas o evaluados porel fabricante, por ejemplo para un diámetro espe-cial de impulsor. Para bombas sumergibles lasiguiente información importante está normal-mente representada como curvas contra el caudalQ:· H curva de altura· " curva(s) de rendimiento· p curvas de potencia
La figura 52 muestra una típica curva característi-ca con información importante para el usuario.
3.2.1 Curva HLa altura o curva H da la altura total de la bombaen función del caudal Q. La curva puede contenerinformación adicional respecto a la utilización dela bomba, tal como limitaciones debidas a cavita-ción, vibraciones o sobrecarga del motor.
39
Funcionamiento de la bomba 3
Fig. 51
Componentes de pérdidas en tuberías parabombas instaladas en seco.
Fig. 52
Volumen de caudalAltura total bombaPotencia de entrada motor Rendimiento totalPotencia de entrada bombaRendimiento bomba
Pruebas y tolerancias: ISO 2548 (Anexo B) 1973
Curva característica típica de una bomba sumer-gible. Las secciones discontinuas de las curvasindican las áreas donde la utilización prolongadade la bomba está prohibida. Los motivos de lalimitación pueden ser cavitación, vibraciones osobrecarga del motor.
3.2.2 Curvas de rendimientoEl rendimiento " de la bomba es también unafunción del caudal Q. El rendimiento puede indi-carse como un ratio o porcentaje. Para bombassumergibles se definen tanto el rendimiento " dela bomba como el rendimiento total "gr, donde "gr
incluye las pérdidas en el motor. Es importantediferenciar entre estas definiciones del rendi-miento, especialmente cuando se compara el fun-cionamiento de la bomba. Las pérdidas que influ-yen en el rendimiento de la bomba están comen-tadas en la sección 1 de este libro. Por lo tantopuede escribirse:
donde "mot es el rendimiento del motor.
El rendimiento puede también estar marcado enla curva de altura, con números que indican variosvalores de rendimiento. Si varias curvas de alturapara varios diámetros de impulsor están trazadasen el mismo gráfico, estos puntos pueden conec-tarse para formar isogramas, o áreas de funciona-miento del mismo rendimiento. La curva caracte-rística de la bomba tendrá entonces el aspectotípico que muestra la figura 53.
3.2.3 Curvas de potenciaLa potencia necesaria de la bomba es tambiénuna función del caudal Q. La figura 52 contiene lacurva de potencia tanto de la bomba como delmotor. La potencia del motor es la potencia eléc-trica utilizada por el motor, medida en la caja deconexión de cable en el motor. Según normativasinternacionales respecto a pruebas de bombas, lapotencia de la bomba se denomina P y la potenciaabsorbida por el motor Pgr. La potencia necesariapuede también calcularse mediante la ecuación
dondeP = potencia (W)p = densidad del líquido (kg/m3)Q = caudal en volumen (m3/s)g = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)H = altura de bomba (m)" = rendimiento
3.2.4 Curva NPSHLos cálculos de NPSH sólo se realizan para bombasinstaladas en seco, por lo que la curva normal-mente no está incluida en las hojas de datos debombas sumergibles. El fabricante la proporcionaa petición, si se teme cavitación en una instala-ción en seco, o si el cliente la necesita por otromotivo.
Los resultados de pruebas realizadas con agualimpia son válidos para aguas residuales munici-pales normales y la mayoría de efluentes indus-triales, ya que el bajo contenido de sólidos en lasaguas residuales (menos del 0,05 %) no influyesignificativamente en el funcionamiento de labomba.
40
3 Funcionamiento de la bomba
0 20 40 60 80 100 120
28
24
20
16
12
8
4
0
Fig. 53
Curvas características para varios diámetros deimpulsor, donde el rendimiento está indicadocomo puntos directamente en las curvas dealtura. Se facilita la selección de impulsor conec-tando los puntos del mismo rendimiento.
3.3 Pérdidas en tuberías y curvascaracterísticas de la tubería deimpulsión
A continuación se presenta la teoría de cálculo depérdidas de caudal en tuberías. Se han hecho cál-culos prácticos con ayuda de las instruccionesdetalladas, con diagramas de cálculo y nomogra-ma, presentadas en el Apéndice A, o con un pro-grama informático.
Las velocidades de caudal utilizadas para el bom-beo de aguas residuales son lo suficientementealtas como para garantizar un caudal turbulentouniforme en la tubería. Por lo tanto, las pérdidasde caudal aumentan con el cuadrado de su velo-cidad. La pérdida de caudal de una tubería deimpulsión es la suma de la pérdida por fricción delos componentes de la tubería y las pérdidas loca-les de varios componentes y conexiones.
3.3.1 Pérdidas por fricciónLas pérdidas por fricción en las tuberías dependende los siguientes factores:
longitud de la tuberíadiámetro interior de la tuberíavelocidad del flujorugosidad relativa de la pared de la tuberíaviscosidad cinemática del líquido
Una relación adimensional, se introduce el núme-ro de Reynold:
dondeRe = número de Reynoldv = velocidad del caudal (m/s)D = diámetro interior de la tubería (m)% = viscosidad cinemática (m2/s)
La viscosidad cinemática para agua depende de latemperatura:
La ecuación para pérdidas en tuberías puede escri-birse:
dondeHjp = pérdida en la tubería (m)& = factor de fricciónl = longitud de la tubería (m)v = velocidad del caudal (m/s)g = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)D = diámetro interior de la tubería (m)
Al obtener el factor de fricción & del diagrama dela figura 54, puede solucionarse la ecuación 24.Pueden usarse los valores de rugosidad superficial(mm) de la siguiente tabla:
La superficie de un material viejo de tubería sevuelve más rugosa por la erosión. La corrosión ylas capas de sedimentos que se forman en lasuperficie de la tubería pueden reducir el diáme-tro de la misma, ocasionando también grandespérdidas de caudal.
El efecto del cambio del diámetro de la tuberíapuede calcularse con la siguiente relación:
Por lo tanto, un aumento del diámetro de la tube-ría, por ejemplo de 100 a 108 mm reduce la pérdi-da de caudal en un 30 %.
La ecuación 25 es lo suficientemente exacta confines prácticos cuando se comparan pérdidas decaudal en tuberías de impulsión de diámetro dife-rente, especialmente porque se disponen pocasveces de valores exactos de la rugosidad superfi-cial.
41
Funcionamiento de la bomba 3
·····
t0C
% 10-6 m2/s
0
1,78
20
1,00
40
0,66
60
0,48
100
0,30
Plástico
Acero estirado
Acero soldado
Acero inox. estirado
Acero inox. soldado
Fundición
Fundición bituminada
Cemento de amianto
Hormigón
0,01
0,05
0,10
0,05
0,1
0,25
0,12
0,025
0,3...2,0
0,25
1,0
1,0
0,25
0,25
1,0
0,25
Material de tubería k nuevo k viejo
Las pérdidas de caudal en la tubería de impulsiónse calculan frecuentemente con ayuda de progra-mas informáticos para uso interno, también dis-ponibles de algunos fabricantes de bombas. Estosprogramas pueden también recomendar algunasselecciones de bombas de la gama del fabricanteque sean más adecuadas para la finalidad. Serecomienda examinar en detalle la selección debomba propuesta sólo por un programa, y siem-pre contactar con el fabricante en casos dudosos.
La tubería de impulsión está a veces dividida endos tuberías paralelas separadas. Tienen la mismalongitud pero pueden tener diámetros diferenteso ser de materiales diferentes. La distribución delcaudal entre las dos tuberías y las pérdidas resul-tantes en las mismas pueden ser difíciles dedeterminar. GRUNDFOS ha desarrollado un méto-
do para esto. donde se sustituyen las dos tuberíaspor una sola tubería virtual de impulsión. Sedetermina un diámetro equivalente para estatubería, para que las pérdidas de caudal produci-das sean iguales a las pérdidas de las dos tuberíasde impulsión reales.
Se calcula el diámetro equivalente mediante lassiguientes ecuaciones:
A. Ambas tuberías de impulsión tienen el mismodiámetro
De = 1,3 . D (26)
donde D = diámetro de las dos tuberías de impul-sión paralelas
42
3 Funcionamiento de la bomba
TRANSITION ZONE
SMOOTH PIPE
TURBULENT FLOW
RELATIVE SURFACE ROUGHNESS K/d
REYNOLD'S NUMBER Re=
Fig. 54
Diagrama para establecer el factor de fricción &. El valor & se obtiene utilizando el número de Reynold y elnúmero de rugosidad relativa k/D como parámetros, donde D es el diámetro interior de la tubería en mm yk es la rugosidad superficial equivalente en mm. Puede suponerse un caudal completamente turbulento enaplicaciones de aguas residuales.
FACT
OR
DE
FRIC
CIÓ
N &
ZONA DE TRANSICIÓN
TUBERÍA LISA
CAUDALLAMINAR
CAUDAL TURBULENTO
RUGOSIDAD SUPERFICIAL RELATIVA K/d
NÚMERO DE REYNOLD
B. Las tuberías de impulsión tienen diámetrosdiferentes
D = (D1 + D2 ) (27)
donde D1 y D2 son los diámetros diferentes de lastuberías de impulsión paralelas.
Se calculan los volúmenes de caudal de las dostuberías de impulsión mediante las siguientesecuaciones:
A. Ambas tuberías de impulsión tienen el mismodiámetro
x
B. Las tuberías de impulsión tienen diámetrosdiferentes
X
X
Estas ecuaciones son válidas para caudales turbu-lentos, que son normales al bombear agua. Lasecuaciones requieren la rugosidad superficial seaigual en ambas tuberías.
3.3.2 Pérdidas localesCambios del diámetro interior de la tubería y desu forma, codos, válvulas, uniones, etc. incluidosen la tubería de impulsión pueden originar pérdi-das adicionales que incluyen un componente defricción y uno de turbulencia. Se utiliza la siguien-te ecuación para calcular las pérdidas:
X
dondeHJN = pérdida local (m)' = factor de resistencia localv = velocidad del flujo (m/s)g = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)
Los factores de la resistencia local de varios ele-mentos de tuberías y conexiones están presenta-dos en el Apéndice A. La pérdida por fricción de losmismos no está incluida en el factor de resistencialocal, sino se calcula como parte de la pérdida porfricción en la tubería de impulsión, incluyendo sulongitud y diámetro interior al calcular la longitudde la tubería.
La pérdida por discontinuidad de dilatación de latubería puede calcularse mediante la ecuación deBorda
X
dondeHJn = pérdida local (m)v1 = velocidad de caudal 1 (m/s)v2 = velocidad de caudal 2 (m/s)g = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)
Si la dilatación de la tubería está diseñada conuna sección cónica con un ángulo de dilatación de10º, la pérdida se reduce al 40 % del valor calcula-do con la ecuación 32. Este hecho es importantecuando la sección de la tubería se dilata inmedia-tamente después de la brida de presión de labomba, donde la velocidad del caudal puede serbastante alta. Puede ahorrarse energía si la transi-ción se diseña con una junta de dilatación gradualde 10º. Las pérdidas en una sección contráctil de latubería son mucho menores y la sección cónicapuede hacerse mucho más corta.
Las pérdidas en una sección con reducción develocidad son generalmente mucho mayores queen una sección con velocidad creciente.
El componente final de las pérdidas en las tube-rías es la pérdida de salida al final de la tubería deimpulsión. Si no se ha previsto ninguna dilatación,la pérdida es igual a la presión de velocidad ov2/2g.
Los fabricantes proporcionan los coeficientes depérdida para las distintas válvulas. El Apéndice Acontiene valores de referencia para las válvulasmás comunes utilizadas en instalaciones deaguas fecales.
3.3.3 Curva característica de la tubería deimpulsiónEn instalaciones de aguas residuales, la fosa debomba y el pozo de suministro están abiertos a laatmósfera y la curva característica de la tubería deimpulsión sólo incluye la altura geodésica y laspérdidas de caudal. La figura 55 muestra el aspec-to general de la curva característica de resistenciade una tubería. El caudal es turbulento a las velo-cidades de caudal consideradas, por lo que puedesuponerse que la pérdida de caudal varía en pro-
43
Funcionamiento de la bomba 3
2,65 2,65 0,3774
porción al cuadrado del caudal. Entonces, si la pér-dida de caudal a un caudal se calcula mediante elmétodo anterior, se obtienen los otros puntos dela curva con suficiente exactitud utilizando lasiguiente ecuación:
X
3.4 Tamaño de la tubería de impul-sión
Se selecciona el tamaño de la tubería de impul-sión en base a los siguientes factores:
economíadiámetro interior necesario para la aplicaciónvelocidad mínima de caudal necesaria para laaplicación
3.4.1 EconomíaLa economía de una instalación se compone de loscostes de adquisición, así como los costes de fun-cionamiento durante toda su vida útil. Varios cos-tes de instalación y funcionamiento dependendirectamente del tamaño de la tubería de impul-sión, y reaccionarán a cambios del tamaño de latubería como sigue:
Con diámetro reducido de la tuberíaLos precios de adquisición de las tuberías ycomponentes de fontanería bajan.El coste de adquisición de una estación de bom-beo aumenta debido a las mayores pérdidas decaudal con la necesidad consiguiente de bom-bas más grandes y equipo de control. Los costesde sistemas de suministro eléctrico más gran-des, tales como subestaciones, pueden aumen-tar notablemente.Los costes de funcionamiento aumentan debi-do a costes de energía más altos, ocasionadospor pérdidas en las tuberías.
Puede encontrarse un tamaño óptimo de tuberíacuando los diferentes costes tengan relacionesopuestas al tamaño de la tubería de impulsión. Lafigura 56 muestra la relación. La selección del diá-metro óptimo de la tubería de impulsión puedebasarse en la figura 57, que muestra la velocidadóptima del caudal para diferentes instalaciones, yestá basada en varios estudios.
44
3 Funcionamiento de la bomba
Fig. 55
Curva característica de resistencia de una tube-ría. Las pérdidas en las tuberías (Hj) están traza-das contra el caudal (Q) y añadidas a la alturageodésica, que es constante.
Fig. 56
Pérdidas en tuberías (fricción y resistencia local)
···
·
·
·
1. Coste de adquisición de la tubería de impulsión2. Coste de adquisición de la estación de bombeo3. Costes de energía4. Costes totales
Relación de los costes principales de una instalación debombeo según el tamaño de la tubería de impulsión.Puede encontrarse el coste óptimo cuando los costes ten-gan relaciones opuestas al tamaño de la tubería y velo-cidad del caudal.
Costes
Tamaño de tubería
Velocidad de caudal
Siempre que sea posible debe hacerse un estudiomás detallado.
La tubería interna de la estación de bombeo debeseleccionarse de forma que minimice los costes delos componentes, sin que las pérdidas de caudalen la estación aumenten excesivamente. La figura58 muestra la pérdida de caudal en una tuberíainterna de una estación de bombeo con dos bom-bas para funcionamiento servicio-standby, asícomo las dimensiones económicas de la tubería,basada en varios estudios.
3.4.2 Paso libre de sólidosPara aguas residuales municipales sin tratar elpaso libre mínimo permitido de la tubería deimpulsión es normalmente de 100 mm, para quelos sólidos puedan pasar sin atascarse. La tuberíainterna en estaciones de bombeo de poco caudalpuede tener un paso libre de 80 mm, especial-mente cuando el paso libre de la bomba es tam-bién de 80 mm.
3.4.3 Prevención de depósitos de sólidosy lodosSi la velocidad del caudal de la tubería de impul-sión es demasiado baja, la arena y los lodos tienentiempo de depositarse, lo que aumenta el riesgode atascos. Los lodos depositados pueden endure-cer y formar una costra en la pared de la tuberíaque constantemente aumenta su diámetro, pro-duciendo mayores pérdidas de caudal. Grumosgrandes de fango que se mueven con el caudalpueden bloquear codos u otras conexiones de latubería de impulsión.
Para aguas residuales municipales se recomiendauna velocidad del caudal de mín. 0,7 m/s. Cuandosólo se bombean aguas residuales domésticas, lavelocidad mínima del caudal puede ser tan bajacomo 0,5 m/s, pero si las aguas contienen arenano se garantiza este valor. En instalaciones concaudal variable, por ejemplo donde se utilizanvariadores de frecuencia, la velocidad del caudalpuede momentáneamente ser inferior.
En sitios donde suelen aparecer depósitos, serecomienda lavar periódicamente todo el sistemacon todas las bombas funcionando simultánea-mente. La forma de la tubería es también impor-tante y la sedimentación suele aparecer en tube-rías de impulsión que tengan un punto bajo pro-nunciado, tales como tuberías instaladas pordebajo de conductos de agua, por ejemplo un río.En estos casos se recomienda seleccionar mayorvelocidad de caudal.
3.4.4 Golpes de arieteSe generan ondas de presión oscilantes en unlíquido que se bombea a través de una tuberíadurante el arranque y parada de las bombas. Estefenómeno se llama golpes de ariete que, en elcaso de ser fuertes, pueden dañar la tubería y elequipo. La gravedad del fenómeno depende delnúmero de variables, tales como el cambio de
45
Funcionamiento de la bomba 3
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Fig. 57
Valores de referencia para velocidades de caudal eco-nómicamente óptimas para instalaciones de bombassumergibles. La figura está basada en un estudio deinstalaciones de bombas sumergibles, utilizandocomo parámetros la altura geodésica, la longitud dela tubería, las horas de funcionamiento al año y loscoste de energía.
Funcionamiento intermitente >1000 h/año
Total
Size recommendation
Fig. 58
Pérdida de caudal en la tubería interna de una esta-ción de bombeo de cada una de dos bombas sumer-gibles de funcionamiento servicio-standby en fun-ción del caudal. Cada instalación de tubería indivi-dual incluye una base con codo, válvulas, un codosuperior y un ramal de tubería.
Funcionamiento continuo
Recomendación de tamaño
velocidad durante el ciclo de reflexión, las caracte-rísticas del material de la tubería, así como dellíquido.
Cuando el líquido acelera o decelera, una ondatransitoria de presión fluctúa de un lado a otrohasta que se reduce. La frecuencia de la oscilaciónpuede calcularse mediante la siguiente ecuación:
µ = (34)
dondeµ = duración del ciclo de reflexión, en que la onda
de presión oscila de un lado a otro una vez (s)L = longitud de tubería (m)a = velocidad de la onda de presión (m/s)
Las velocidades de las ondas de presión en agualimpia en tuberías de varios materiales puedenobtenerse de la siguiente tabla:
Material de la tubería Velocidad (m/s)
Acero 900 ...1300
Fundición 1000...1200
Hormigón armado 1000...1200
Plástico 300...500
Aguas residuales y lodos contienen a menudo aireo gas insoluble, que tiene un efecto considerablesobre la velocidad de la onda de presión, tal comopuede verse en la siguiente tabla, donde la veloci-dad de la onda de presión se expresa en funciónde la cantidad de aire insoluble en el líquido:
Altura = 15 m
El aire disuelto no tiene efecto práctico sobre lavelocidad de la onda de presión.
La oscilación de presión producida por un cambiode velocidad del caudal dentro de un ciclo dereflexión puede calcularse mediante la siguienteecuación:
$h = (35)
donde$h = cambio de presión (m)a = velocidad de la onda de presión (m/s)$v = cambio de velocidad del caudal (m/s)
durante un ciclo de reflexióng = aceleración por gravedad (9,81 m/s2)
Es difícil establecer el cambio de velocidad delcaudal cuando la bomba arranca o para, por loque no resulta fácil calcular las oscilaciones depresión. El cambio de presión sólo puede calcular-se con exactitud si, por ejemplo, una válvula secierra dentro del ciclo de reflexión, y el cambio develocidad del caudal $v es igual a la velocidad delcaudal v. La presión oscila simétricamente, por loque puede caer por debajo de la tensión de vapor,ocasionando cavitación que produce grandesoscilaciones de presión y ruido. Los sitios poten-ciales son la bomba, válvula y punto alto de latubería. Un alto nivel de vacío puede tambiénestropear la tubería.
Al bombear aguas residuales, las presiones de losgolpes de ariete producidas durante la parada dela bomba son mayores que aquellas producidasdurante el arranque. En estimaciones teóricas elobjetivo es calcular el retardo del agua inmediata-mente después de la parada de la bomba y la osci-lación de presión producida en aquel momento.Los factores más dudosos y significantes quedeben averiguarse son la resistencia del caudal dela bomba y la presión mínima generada en labomba después de la desconexión de la corriente.Esta información no se consigue fácilmente de losfabricantes de bombas.
Otro factor dudoso es el contenido de aire o gasen el agua o la tubería. En este caso la solución esensayar con distintas concentraciones paraencontrar el efecto del contenido de gas.
46
3 Funcionamiento de la bomba
Cantidad de aire insolublecomo ratio volumétrico
Ratio de velocidad de laonda de presión
0
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
1,0
1,0
0,96
0,73
0,32
0,11
+ 2La
+ a . $vg
La figura 59 muestra las consecuencias del fenó-meno de golpes de ariete en una instalación conuna bomba doble. Se observa lo siguiente:
La duración medida del ciclo de reflexión es de45 segundos. Los cálculos teóricos para un líqui-do sin gas o aire indicaron una duración de sólo12 – 20 segundos. La diferencia entre los dosvalores muestra que el agua contiene gas.La presión de la tubería baja al vacío inmediata-mente después de la parada de la bomba. Semidió la presión en la brida de descarga, por loque la presión dentro de la bomba debe habersido incluso más baja. La presión dentro de labomba cayó posiblemente por debajo de la pre-sión de cavitación (-10 m).
Un rasgo significativo del fenómeno de golpes deariete es que no se oye ya que el aumento de lapresión es bastante lento, pero puede observarsecon un manómetro. Sólo hará ruido en el caso decavitación o si una válvula cierra rápidamente.
Los golpes de ariete no son un problema comúnen instalaciones de aguas residuales. La descrip-ción teórica del problema es difícil, ya que se des-conocen muchas entidades.
3.4.5 Prevención de golpes de arieteSi se producen golpes de ariete en instalacionesde aguas residuales, se puede aliviar la situación,tomando una o varias de las siguientes medidas:
Evitar la parada simultánea de dos o más bom-bas.Instalar válvulas automáticas con duración decierre de 20-30 segundos, en vez de válvulas deretención normales. La bomba para después decerrarse la válvula.Parar las bombas lentamente con control defrecuencia.Utilizar un equipo de arranque suave tambiénpara parar las bombas. El control completo dela secuencia de parada no es siempre factible.Instalar válvulas de aire automáticas en lospuntos donde aparecen presiones negativas.Si la bomba cavita durante el ciclo de parada, lainstalación de una tubería de aspiración by-pass con válvula de retención desde la fosahúmeda hasta la tubería de impulsión evitaráque la presión baja dentro de la bomba. Ladimensión de la tubería by-pass debe seleccio-narse un tamaño menor que la brida de presiónde la bomba.Utilizar componentes de tubería más pesadosque soportarán la presión de los golpes de arie-te. Las oscilaciones del vacío pueden ser másdañinas para la tubería y el equipo que las depresión.
47
Funcionamiento de la bomba 3
·
·
Altura (m)
Arr
anqu
e bo
mba
1A
rran
que
bom
ba 2
Punt
o de
trab
ajo
Para
da b
omba
s 1 y
2
Osc
ilaci
ones
de
pres
ión
Tiempo [s]
Fig. 59
Mediciones de la presión de la secuencia de gol-pes de ariete como función del tiempo.
Longitud de tubería de impulsión 3000 mDiámetro de tubería DN 400, PVCCaudal combinada de bomba 140 l/sVelocidad de caudal 1,3 m/sAltura geodésica 32,4 mVálvulas de retención DN200Manómetro en la brida de impulsión de la bomba
·
·
·
·
·
·
·
3.5 Punto de trabajo de la bomba
3.5.1 Funcionamiento con una bombaLa altura de la tubería de impulsión se obtieneañadiendo la altura geodésica (Hgeod) y la pérdidaen la tubería. La altura geodésica es un constanteque no depende del caudal, mientras que las pér-didas aumentan con aproximadamente el cuadra-do del caudal Q (ver la figura 55). Si una curva dealtura en la misma escala se pone encima de, o semarca en la curva característica de la tubería deimpulsión, el punto de trabajo estará en la inter-sección de las curvas. En este punto la altura de labomba es igual a la altura necesaria en la tuberíade impulsión. El caudal Q de la bomba puedeentonces leerse directamente en el diagrama, verla figura 60.
3.5.2 Funcionamiento en paralelo, bom-bas idénticasEl funcionamiento en paralelo es la situación enque el caudal combinado de dos o más bombasfluye a la misma tubería de impulsión. La formade la curva característica de la tubería de impul-sión cambiará ligeramente dependiendo delnúmero de bombas en funcionamiento, ya quecada bomba tiene su propia tubería de descargahasta el punto común, por lo que la constituciónde la tubería de impulsión cambiará.
Si suponemos que dos bombas idénticas, contuberías separadas idénticas unidas mediante unramal o colector a la tubería de impulsión, funcio-nan en paralelo obtenemos la curva característicade la tubería de impulsión indicada en la figura 61.El punto de trabajo de ambas bombas se obtienemarcando la suma de dos curvas de altura a altu-ra constante en la curva característica de la tube-ría de impulsión de dos bombas.
3.5.3 Funcionamiento en paralelo, bom-bas diferentesAl calcular el punto de trabajo de dos bombasdiferentes que funcionan en paralelo debemossuponer que las tuberías separadas hasta el colec-tor tengan características diferentes. Puede utili-zarse el siguiente método para obtener los puntosde trabajo.
Primero se comprueban las pérdidas de cadabomba en su propia tubería antes del colectorcomún. Pueden marcarse en el gráfico comoreducciones de alturas, que reducen las curvas delas bombas. La combinación de estas curvas redu-cidas a altura constante da la curva de alturacombinada de las bombas. La intersección de estacurva y la curva característica de la tubería deimpulsión es el punto de trabajo combinado. Simarcamos hacia atrás desde este punto a altura
48
3 Funcionamiento de la bomba
Fig. 60
Punto de trabajo de la bomba (D) obtenido marcan-do la curva de altura de la bomba en la curva carac-terística de la tubería de impulsión. La altura total esla suma de la altura geodésica (Hgeod) y la pérdida enlas tuberías (Hj).
Fig. 61
Puntos de trabajo de dos bombas idénticas que fun-cionan solas (B) o en paralelo (D). La resistencia de latubería aumenta con el caudal, por lo que el rendi-miento combinado de dos bombas (QD) es siempremenor que dos veces el rendimiento de una solabomba. Con fines prácticos se puede suponer que unasola bomba tiene el punto de trabajo C. Curva Q/H de bomba
Curva de tubería de impulsión
Curva H de bomba
Curva tubería de impulsióndos bombas en funcionamiento
Curva tubería de impulsiónuna bomba en funcionamiento
Curva H combinadados bombas
constante hasta las curvas de bomba reducidas,pueden leerse los puntos de trabajo individualesen las curvas originales justo por encima de estasintersecciones. Del mismo modo, cuando las bom-bas funcionan por separado, se obtienen los pun-tos de trabajo individuales leyendo las curvas dealtura encima de la intersección de la curva de latubería de impulsión y las curvas de bomba redu-cidas. Este método está ilustrado en la figura 62.
3.5.4 Funcionamiento en seriePueden conectarse varias bombas en serie paraaumentar la altura. Se obtiene la altura combina-da añadiendo las alturas individuales a caudalconstante. Debido a su complejidad sólo es nece-sario en casos excepcionales, y se recomienda uti-lizar casi siempre una bomba más grande de lagama del fabricante que sola pueda hacer el tra-bajo.
Las bombas sumergibles sólo pueden conectarseen serie si las bombas de reserva se instalan enseco, por lo que serán diferentes de la bombaprincipal.
Otro riesgo que afecta las bombas conectadas enserie es el posible fallo de la bomba principal, loque puede ocasionar cavitación de la bomba dereserva debido a pérdidas de aspiración mayores o
pérdida de altura de aspiración. El proyectistadebe diseñar la planta de bombeo para que sepueda evitar la conexión en serie de bombas ycomprobar que haya bombas disponibles para elpunto de trabajo proyectado.
3.5.5 Punto de trabajo realEl punto de trabajo real de la bomba difiere casisiempre del calculado. Esto se debe a los erroresde todos los métodos numéricos para calcular laspérdidas en tuberías de impulsión, así como lastolerancias permitidas en curvas característicasnormales. Además, las características de la bombacambiarán con el uso debido al desgaste, y lacorrosión o sedimentación cambiará con el tiem-po la tubería de impulsión. La figura 63 muestra larelación entre tolerancias de funcionamiento. Lastolerancias de funcionamiento inherentes de labomba se comentan detalladamente en la sección4 de este libro.
Si el punto de trabajo está en el segmento de pococaudal de la curva Q/H de la bomba y la curvacaracterística de la tubería de impulsión es muyinclinada, la gama de tolerancias de caudal puedeser muy grande en proporción con el punto de tra-bajo diseñado. Este hecho debe tenerse en cuentaal seleccionar la bomba.
49
Funcionamiento de la bomba 3
Fig. 62
Puntos de trabajo de dos bombas diferentes que des-cargan en una tubería de impulsión común. Las pér-didas en las tuberías individuales se reducen de lascurvas de altura trazadas a escala en el gráfico. Lacurva de rendimiento combinada se obtiene utilizan-do las curvas de altura reducidas, dando el punto detrabajo combinado D. Los puntos de trabajo indivi-duales son A y B. Para bombas que funcionan porseparado, los puntos de trabajo serán C y E respecti-vamente.
Curva H de bomba
Curva H combinadamenos pérdidas en latubería individual
Fig. 63
Área de tolerancias del punto de trabajo. El punto detrabajo real de una instalación puede estar dentrodel área sombreada, limitada por las zonas de tole-rancias permitidas de la curva de altura de la bombay la curva característica de la tubería de impulsión. Elrendimiento Q de la bomba puede variar considera-blemente.
Pérdidas en la tubería de impulsión externa
Pérdidas en la tubería individual
Gama de tolerancias del punto de trabajo
Punto de trabajocalculado
Curva calculada de latubería de impulsión
Gama de errores de la curva de latubería de impulsión
Curva Q/H normal de la bomba
Gama de tolerancias de la curva C/H de la bomba
Gama de tolerancias de caudal
3.6 Bombeo de lodos
Las bombas sumergibles bombean con frecuencialodos de consistencia variable en plantas de trata-miento de aguas residuales. Cuando el contenidode sólidos en el fango aumenta, las pérdidas decaudal en la tubería de impulsión aumentan a lavez que el funcionamiento de la bomba disminu-ye. Al seleccionar una bomba que se utilizará conlodos hay que considerar estos dos factores. Lafigura 64 muestra en principio el efecto.
La situación es compleja ya que todavía no se tie-nen conocimientos suficientes del comporta-miento de lodos en bombas centrífugas. La plantade tratamiento de lodos puede contener muchogas, disuelto o retenido, lo que tendrá un efectoprofundo en las bombas centrífugas. Por reglageneral, lodos con gran contenido de sólidos con-tienen también mucho gas, lo que reducirá consi-derablemente el funcionamiento de la bomba. Encasos extremos la bomba dejará de bombearcuando el gas separado se acumula en el oído delimpulsor, impidiendo que éste desarrolle la fuerzacentrífuga necesaria.
Al bombear lodos densos, como medida de pre-caución hay que colocar la bomba lo más bajoposible para garantizar una altura de aspiraciónpositiva. La utilización de tuberías de aspiraciónlargas debe también evitarse, ya que la caída depresión en éstas aumenta también debido al con-tenido de sólidos.
Cuando el contenido de sólidos en el lodo es infe-rior a 1%, se puede normalmente suponer conseguridad que la curva característica de la tuberíade impulsión es la misma que para agua. Conmayor contenido de sólidos la curva característicaserá más alta, pero es difícil establecer una curvacorrecta debido a la falta de información sobrelodos. Otro problema práctico es que el contenidode sólidos del líquido en la bomba y tubería deimpulsión puede momentáneamente superar elvalor medio o diseñado. En lodos más espesos, larefrigeración del motor puede convertirse un enproblema, dependiendo del método de refrigera-ción.
Las bombas sumergibles de aguas residuales sonnormalmente adecuadas para bombear lodos deplantas de tratamiento con un contenido de sóli-dos de máx. un 3 %. Estos lodos incluyen lodos pri-marios, lodos de retorno y exceso de lodos, mien-tras que para lodos más densos, tales como lodosespesados y lodos digeridos, se prefieren bombasvolumétricas. Para estos líquidos más densos losvolúmenes bombeados son relativamente peque-ños.
No se recomiendan bombas de hélice en plantasde tratamiento de aguas residuales debido al ries-go de atascos. Una bomba de tipo canal de insta-lación vertical en columna es una buena soluciónpara bombear lodos de retorno.
3.7 Tuberías de impulsión comple-jas
Tuberías largas de alcantarillas tienen perfilescomplejos con puntos de inflexión bajos y altos. Elaire o gas ocluido en los puntos de inflexión altosaumenta la altura de la bomba, mientras que elpunto de inflexión bajo aumenta el riesgo de sedi-mentación. En algunos casos la bomba seleccio-nada resultó ser inadecuada, y también se cono-cen casos de sedimentación. Es difícil predecirexactamente el funcionamiento de la tubería dela alcantarilla debido al bombeo intermitente delas bombas. El agua en la tubería se mueve quizássólo 100 m durante un ciclo de bombeo, y el aire ogas en la tubería no saldrá y el caudal no se esta-bilizará durante ese periodo.
50
3 Funcionamiento de la bomba
Pump H curves
Rising main curves
H
Q3% Q2% Q1% Q0% Q
3%2%
2%
3%
1%
1%
0%
0%
Fig. 64
Efecto del contenido de sólidos en los lodos sobre lacurva de altura de la bomba y curva característica dela tubería de impulsión. El gráfico muestra sólo elprincipio y no puede utilizarse para evaluacionesnuméricas.
Curvas de tubería de impulsión
Curvas H de bomba
3.7.1 ¿Qué ocurre en una tubería deimpulsión compleja?En la figura 65 la sección YK-VP contiene aire.Cuando la bomba arranca el nivel del líquido VPempieza a subir lentamente y la presión de aire enla sección YK-VP aumenta y se desarrolla un cau-dal desde el punto VP hasta el punto PK (v2).Cuando la bomba para, el caudal de VP a PK conti-nua durante algún tiempo y disminuye lentamen-te. La duración del caudal de VP a PK es más largaque la duración del funcionamiento de la bomba,por lo que la velocidad máx. del caudal v2 es infe-rior a v1. El aire o gas en la sección YK-VP evita quese produzca el efecto de sifonamiento, que oca-siona mayor altura geodésica.
Es difícil estimar con precisión el sitio exacto delpunto VP. Si la cantidad de aire fuera constante,podría calcularse el sitio del punto VP en funcióndel tiempo. En la práctica la cantidad de aire en latubería cambiará y no se puede calcular el sitio delpunto VP. Si YK está situado más bajo que PK, elaire podría en teoría eliminarse con una válvulade aire automática. Si el punto YK está más altoque PK, el aire volverá en la tubería después depararse la bomba. Válvulas de aire automáticastienden a atascarse en aguas fecales. En base ainformación recogida a lo largo de los años res-pecto a la acumulación de aire o gas, una válvulade aire manual que se abre a ciertos intervalospodría ser una solución.
3.7.2 Determinación de alturaPara una tubería de impulsión con un perfil simi-lar a la figura 66, es difícil estimar exactamente laaltura total de la bomba. No obstante puede esti-marse la magnitud. La altura mínima (Hmín) sedetermina con la tubería de impulsión completa-mente llena y la altura máxima (Hmáx) como unasituación con todas las secciones descendentesllenas de aire o gas. Por lo tanto
Hmín = Hgeod + pérdidas por fricción de caudal de la
tubería para toda la longitud de la tubería deimpulsión
Hmáx = h1 + h2 + h3 + hn + pérdidas por fricción decaudal de la tubería para toda la longitud de latubería de impulsión
La altura total real es un valor entre el valor máxi-mo y mínimo. El valor medio de Hmáx y Hmín puedeser una estimación útil.
3.7.3 Tamaño de la tubería y velocidad delcaudalComo se ha observado antes, el aire o gas presen-te en la tubería de impulsión igualará la velocidaddel caudal en la sección siguiente, ocasionandomenor velocidad de caudal en los puntos bajos dela tubería. Debido a esto debe elegirse una tube-ría de impulsión cuya dimensión sea tan pequeñaque garantice que la velocidad del caudal no bajedemasiado. No obstante, la dimensión mínima dela tubería es DN 100.
Una tubería más pequeña tiene también un volu-men más pequeño, lo que significa que el agua semueve una mayor distancia durante cada ciclo debombeo, aumentando las velocidades del caudalen el punto bajo de la tubería. Una dimensión máspequeña de la tubería es mejor desde el punto devista de los olores, ya que las aguas residuales per-manecen menos tiempo en la tubería de impul-sión. Una mayor velocidad del caudal puede tam-bién llevarse parte del aire en la tubería. En estoscasos el dimensionamiento de la velocidad delcaudal (v1) debe ser de mín. 0,8 m/s, en casos máscomplejos incluso mayor.
3.7.4 Elección de bombaLa altura real de una tubería de impulsión com-pleja puede diferir considerablemente de la calcu-lada. Si el punto de trabajo calculado está cerca decualquier extremo de la sección permitida de lacurva Q/H de la bomba, hay que descartarla. Debeconsiderarse también una bomba cuya curva Q/H
51
Funcionamiento de la bomba 3
Fig. 65
Condiciones de la tubería de impulsión
Hgeodh1
h2 h3 hn
Fig. 66
Determinación de altura.
pasa por encima del punto de trabajo calculado,ya que ofrece seguridad de elección y mayor velo-cidad de caudal.
3.7.5 Medidas de ratificaciónEl punto de trabajo real puede diferir considera-blemente cuando la tubería de impulsión es com-pleja, por lo que puede ser útil medir el volumendel caudal algunas semanas después de la puestaen marcha de la estación de bombeo, utilizando elmétodo volumétrico. La comparación de los resul-tados medidos con los calculados revelará desvia-ciones e indicará el estado real de la tubería deimpulsión. Pueden repetirse las mediciones algu-nas veces durante el primer año de funcionamien-to, ya que el contenido de gas o aire en la tuberíade impulsión puede variar.
Deben realizarse mediciones de control despuésde la puesta en marcha. Todas las tuberías deimpulsión colocadas en terrenos difíciles requie-ren una planificación cuidadosa, así como estu-dios del sitio específico y soluciones técnicas.
3.8 Evaluación del punto de trabajode estaciones de bombeo paralelas
El rendimiento combinado de dos o más estacio-nes de bombeo que descargan en distintos puntosde la tubería de impulsión común puede determi-narse utilizando un método gráfico, descrito acontinuación.
La figura 67 presenta gráficamente la situación dedos estaciones de bombeo que funcionan enparalelo y descargan en una tubería de impulsióncomún. Cuando ambas estaciones de bombeoestán funcionando, los puntos de trabajo de lasbombas están regidos por la presión en el puntode unión 3, donde los caudales de las estacionesde bombeo se unen en la tubería de impulsióncomún. Las alturas totales de las estaciones debombeo individuales pueden dividirse en compo-nentes, tal como muestra la figura 68. Las alturasconstan de los siguientes componentes.
HJ3-4= Pérdida de tubería en la tubería común entre secciones 3 y 4
Hgeod 1= Altura geodésica de la estación de bombeo 1
Hgeod 2= Altura geodésica de la estación de bombeo 2
HJ1-3= Pérdida de tubería en la parte separada de la tubería de impulsión entre puntos 1 y 3
HJ2-3=Pérdida en tubería en la parte separada de la tubería de impulsión entre puntos 1 y 3
La pérdida en la tubería común Hj 3-4 es igual paraambas estaciones de bombeo.
El rendimiento combinado de las dos estacionesde bombeo se determina gráficamente mediantelos siguientes pasos del procedimiento indicadoen la figura 69:
Se resta la altura geodésica Hgeod y la pérdidade tubería en la parte separada HJ de cada unade las curvas H de la estación de bombeo. Setoma la curva H de una o dos bombas en fun-cionamiento, según el caso. La pérdida de tube-ría HJ se determina también de la mismamanera.Se traza la curva de pérdida de carga HJ 3-4 parala tubería común.
Se trazan las curvas H 1 y 2 obtenidas en el paso1 en la curva de pérdida de carga, tanto combi-nadas como por separado (1+2).El punto de intersección A entre la curva H 1+2combinada de las estaciones de bombeo y lacurva de pérdida de carga HJ 3-4 representa elcaudal combinado Q 1+2 en el punto de descar-ga.
52
3 Funcionamiento de la bomba
1.
2.
Separate pipelines
Common pipeline Discharge
Hgeod 1
Hgeod 2
1
2
3
4
Fig. 67
Estaciones de bombeo funcionando en paralelo.Definiciones y alturas.
Tuberías separadas
Tubería común Descarga
3.
4.
Una línea horizontal trazada a través del puntoA, cruzando las curvas de altura individuales 1 y2 en los puntos C y B respectivamente. Los cau-
dales correspondientes en estos puntos, Q1 yQ2, representan los caudales individuales de lasestaciones de bombeo.Al trazar los caudales individuales Q1 y Q2 en lascurvas de altura individuales de cada estaciónde bombeo, se obtiene el punto de trabajo decada bomba en los puntos de intersección T1 yT2.
Los puntos de trabajo de las estaciones de bom-beo que funcionan por separado son los puntosde intersección C’ y B’ de las curvas de altura indi-viduales reducidas 1 y 2 y la curva de pérdida decarga Hj 3-4 trazada en el paso 3 de arriba.
El procedimiento puede ampliarse para instala-ciones con incluso más estaciones de bombeo enuna tubería común. No obstante, resulta un tra-bajo duro encontrar los distintos puntos de traba-jo. Sistemas grandes de aguas residuales incluyenpozos de captación y secciones de colectores porgravedad, que rompen la red en secciones presuri-zadas separadas, pudiendo cada una determinar-se exactamente. Por eso posiblemente no seránnecesarios unos cálculos combinados muy com-plejos.
53
Funcionamiento de la bomba 3
Station 1 Station 2
HJ3-4
Hgeod 1
Hgeod 2
HJ1-3
HJ2-3
H2
H1
H
H curve of pumps H curve of pumps
H-curve H-curve
Station 1 Station 2
Hgeod 1
HJ 1-3H1 T1
Q1 Q
H
Hgeod 2
HJ 2-3
H2 T2
Q1 Q
H
1
2
1
1
2
2
H
B C A
B'
C'HJ 3-4
in Point 3in Point 3
Fig. 68
Fig. 69
Estación 1 Estación 2
Componentes de altura.
1
1
2
2
H
B C A
B'
C'HJ 3-4
QJ1+2 QQ'1Q1Q2 Q'2
5.
6.
Curva H de bombas Curva H de bombas
Curva H en punto 3 Curva H en
punto 3
Estación 1 Estación 2
Determinación de puntos de trabajo de estaciones de bombeo con descarga en una tubería de impulsión común.
4 Pruebas de bombas
El funcionamiento real de las bombas se estable-ce o confirma mediante pruebas. Pueden realizar-se pruebas por motivos diferentes y en variossitios. Con el fin de conseguir unos resultadosinequívocos, se han desarrollado y acordado nor-mativas de pruebas. Las normativas requierenunas condiciones de pruebas controladas y con-trastadas, por lo que normalmente no pueden uti-lizarse para pruebas in situ.
Los fabricantes prueban sus bombas en las insta-laciones, tanto con fines de desarrollo de produc-ción como control de calidad. Pueden necesitarsepruebas contrastadas para confirmar que el fun-cionamiento de la bomba cumple con las condi-ciones de compra o para solucionar desacuerdosrespecto al funcionamiento.
Pruebas in situ de bombas en instalaciones realesno darán datos exactos de su funcionamiento, yaque la precisión de los medios utilizados para rea-lizar las pruebas no puede alcanzar los condicio-nes de las normativas de pruebas. No obstante,estas pruebas proporcionan información útil debombas y estaciones de bombeo y pueden utili-zarse para controlar la estación de bombeo si serealizan periódicamente, o si están adecuada-mente automatizadas.
Las normativas de pruebas son acuerdos hechospara ser utilizados como modelo para la evalua-ción del funcionamiento de bombas. La siguientepresentación proporciona métodos para su inter-pretación. Es una presentación breve y clara, porlo que tanto puede como debe utilizarse con eltexto estándar adecuado como referencia inme-diata.
4.1 Dispositivos de pruebas.
4.1.1 Pruebas de producciónLas pruebas de bombas sumergibles en condicio-nes controladas requieren una instalación depruebas construida y calibrada según las normati-vas de pruebas en vigor. Las instalaciones de prue-bas en una cadena de producción deben tambiéndiseñarse para que la manipulación y conexión delas bombas sean eficientes y no entorpezcan elproceso de producción. La figura 70 muestra elprincipio de una instalación de pruebas de bom-bas sumergibles. Incluye las tuberías e instrumen-tos necesarios para medir la presión y el caudal.Puede también incluir varios registradores demediciones, así como equipo informático para elprocesamiento y presentación de los datos medi-dos. Para la altura de bomba se utiliza la alturatotal, incluyendo tanto el componente estáticocomo el dinámico.
54
4 Pruebas de bombas
Pressure gaugeFlow meter Control valve
Q [l/s]
H [m]Z1.2
P2
2D2
D2
M
Fig. 70
Principio de una instalación de pruebas de producción de bombas sumergibles donde circula agua. Todas las tuberías están diseñadaspara proporcionar unas condiciones de funcionamiento idóneas y conocidas para el manómetro y caudalímetro, para que las lecturassean inequívocas. Los datos obtenidos son introducidos en el ordenador para obtener resultados rápidos y ayuda para la evaluación.
Manómetro Caudalímetro Válvula reguladora
Se estableció la altura total de la bomba en laecuación 18 y puede escribirse:
X
donde
= lectura del manómetro cambiada en altura
= altura del manómetro por encima del nivel del agua
= altura dinámica de la bomba en el punto de medición de la presión
HJ = Pérdidas de carga entre el punto de medición
y la brida de la bomba (calculadas).
Según las normativas de pruebas, el punto demedición de la presión estará a una distancia de 2x D2 de la brida de presión de la bomba. La distan-cia comprenderá una sección de tubería recta.
4.1.2 Pruebas in situ, punto de trabajoLas pruebas de bombas en instalaciones realesson útiles cuando se necesita información del fun-cionamiento de la bomba con razonable exacti-tud, o cuando se controla rápidamente el funcio-namiento de la estación de bombeo. Si no puededetenerse la afluencia de caudal a la estación debombeo durante la duración de las mediciones,hay que comprobar este efecto por separado conlas bombas paradas. Después se podrá fácilmentecalcular el caudal de la bomba.
La presión estática de la bomba se mide con unmanómetro conectado a la bomba sumergiblecerca de la brida de la salida. Después puede cal-cularse la altura total de la bomba utilizando laecuación 35 (HJ = 0). La figura 72 muestra el dispo-sitivo para la prueba.
Si una curva exacta de la altura de la bomba estádisponible, puede determinarse su punto de tra-bajo sin estimar el caudal. Se mide la suma de la
altura estática y la altura manométrica Z 1-2 en eleje H de la hoja de curva de altura de la bomba.Después se traza en la hoja la función de la altura
55
Pruebas de bombas 4
H
D
QQD
Z1,2
v22
2 g
p2 g
v22
2 g
Fig. 71
Utilizando una hoja de curva de altura de bomba paraestimar el punto de trabajo. Se trazan la altura estáticamedida y la función de altura dinámica contra el caudal.Se obtiene gráficamente el punto de trabajo D de labomba.
Pressure Gauge
Hose
Z1,2
D2
Fig. 72
Prueba in situ de una bomba sumergible. El manómetroestá conectado a la brida de presión de la bomba conuna manguera flexible. Se registra la altura del manó-metro por encima del nivel de agua del pozo durante laprueba, Z 1,2. Se utiliza el diámetro de la salida de labomba D2 para calcular la altura dinámica si se conoceel caudal. Hay que eliminar el aire de la manguera flexi-ble después de arrancar la bomba.
Manómetro
Manguera
dinámica contra varios caudales. El punto de tra-bajo de la bomba será la intersección de estacurva y la curva de altura de la bomba. La figura 71muestra en principio.
Las condiciones in situ no cubren los requisitos demontaje de pruebas de las normativas de prue-bas. Por lo tanto no pueden utilizarse los resulta-dos para pruebas de aceptación de las bombas.
Un manómetro conectado a la tubería de unaestación de bombeo puede utilizarse para teneruna determinación aproximada del punto de tra-bajo de la bomba. La altura del manómetro porencima del nivel del agua en la fosa de aspiración,las pérdidas de presión calculadas entre la bridade la bomba y el punto de medición, así como laaltura dinámica (v2/2g) deben añadirse a la lectu-ra. Para bombas instaladas en seco hay que dedu-cir la tubería de aspiración. Estas pérdidas sonnormalmente mínimas.
4.2 Pruebas de aceptación
Las pruebas de aceptación de bombas son el pro-cedimiento con el cual se confirma que unabomba tiene las características indicadas en laliteratura de venta del fabricante o especificacio-nes del contrato. Pueden rutinariamente realizar-se por el fabricante como parte del proceso defabricación o en presencia del cliente o su repre-sentante.
Las normativas de pruebas contienen dos princi-pios importantes:
La bomba se prueba en un punto de trabajoacordado a la hora de la compra.La bomba se prueba en cualquier punto de lacurva publicada de la misma. Esta práctica espara bombas fabricadas en serie, siendo lastolerancias permitidas mayores que para bom-bas hechas de encargo.
En el caso de bombas fabricadas en serie, losfabricantes realizan pruebas de producción de susbombas en muchos puntos de la curva o en trespuntos diferentes seleccionados. Se eligen estostres puntos en ambos extremos de la parte permi-tida de la curva de la bomba, y en un punto en elmedio de la curva.
Lo primordial de las normativas de pruebas escontrolar cómo se realizan las pruebas técnica-
mente y cuáles son las tolerancias de funciona-miento permitidas, a no ser haya otro acuerdo. Lasnormativas no regulan las medidas que debantomarse si una bomba no funciona según las tole-rancias, o las consecuencias de ello. Las partesdeben por separado acordar estos puntos a lahora de la compra o más adelante.
4.2.1 Normativas de pruebasLa finalidad de las normativas de pruebas es defi-nir en detalle cómo realizar las pruebas y cómocomparar técnicamente los resultados de las mis-mas con los valores garantizados. El contenido delas normativas es principalmente como sigue:
términos, definiciones y símbolosorganización de las pruebasdispositivos para las pruebasincertidumbres de medicionesverificación de garantías
Si no se acordado lo contrario, las normativas depruebas estipulan la comparación de los siguien-tes valores garantizados:
Normativas de pruebas ISO 9906 (Grado 1 y 2)Bombas de más de 10 kW:
Punto de trabajo Q/HRendimiento " o "gr
Bombas de menos de 10 kWPunto de trabajo Q/HRendimiento "Potencia de entrada del motor Pgr (en toda lagama de funcionamiento)
Bombas fabricadas en serie con selección hechade curvas características típicas (Anexo A):
Punto de trabajo Q/HRendimiento "Potencia de entrada de la bomba PPotencia de entrada del motor Pgr
Normativa de pruebas ISO 2548 (Clase C)Punto de trabajo Q/HRendimiento " o "gr
Bombas fabricadas en serie con selección hechade curvas características típicas (Anexo B):
Punto de trabajo Q/HPotencia de entrada del motor Pgr
56
4 Pruebas de bombas
·
·
·····
··
···
····
··
··
Normativa de pruebas ISO 3555 (Clase B)Punto de trabajo Q/HRendimiento " o "gr
Estas normativas contienen valores funciona-miento para las tolerancias de los variables medi-dos.
Si se requieren valores garantizados en las especi-ficaciones o contratos de venta, los siguientesvariables de acuerdo con las normativas de prue-bas son adecuados:
Punto de trabajo Q/HRendimiento " o "gr
El punto de trabajo deseado y la normativa depruebas a utilizar deben también especificarse.
Las normativas de pruebas no exigen probar elvalor NPSHr de la bomba, a no ser que se requieraexpresamente. Las pruebas del NPSH son difíciles,llevan mucho tiempo y no proporcionan informa-ción completa de las posibilidades de cavitación,ver la sección 1.4.3. Por lo tanto, las ventajas delNPSH son discutibles. La normativa ISO 9906 pro-porciona factores de tolerancias para el valorNPSHr. Las normativas ISO 2548 e ISO 3555 no pro-porcionan factores de tolerancias del NPSHr.
Normativa de pruebas ISO 9906 grado 1 y 2La nueva normativa de pruebas ISO 9906 se publi-có en 2000 y está previsto que sustituya las nor-mativas anteriores ISO 2548 e ISO 3555.
El grado 1 requiere mayor exactitud, mientras queel grado 2 permite mayores tolerancias. Las bom-bas de aguas residuales funcionan normalmenteen servicio intermitente, por lo que el grado 2 esadecuado para estas bombas. El grado 1 está pen-sado para pruebas de bombas de procesos de altaprecisión en servicio continuo. Se utiliza un méto-do muy minucioso (crosshair) para verificar losvalores garantizados. La figura 73 muestra el prin-cipio.
El principio de verificación mostrado en la figura73 funciona como sigue:
Se traza una cruz de tolerancia con la línea hori-
zontal +tQ. QG y la línea vertical +tH
. HG a través delpunto de garantía QG.,HG.
La garantía de altura y caudal está cubierta, si lacurva Q/H medida corta o al menos toca la líneavertical y/u horizontal.
El rendimiento debe establecerse de la curva Q/Hmedida donde le cruza la línea recta que pasa através del punto de trabajo especificado QG.,HG yel cero de los ejes Q,H y desde donde una líneavertical cruza la curva ".
La condición de garantía respecto al rendimientoestá dentro de la tolerancia si el valor de rendi-miento en este punto de la intersección es supe-rior o al menos igual a "G (1-t").
Normativas de pruebas ISO 2548 (Clase C)e ISO 3555 (Clase B)ISO 2548 (Clase C) corresponde normalmente a lanormativa ISO 9906 Grado 2 e ISO 3555 (Clase B) aISO 9906 Grado 1. La normativa ISO 2548 es ade-cuada para bombas de aguas residuales.
En estas normativas se utiliza un método gráficoelíptico para verificar los valores garantizados. Lafigura 74 muestra el principio. La verificación delrendimiento se realiza de la misma forma que enla normativa ISO 9906.
El principio de verificación, mostrada en la figura74, funciona de la siguiente manera:
Se traza una zona elíptica de tolerancias con los
57
Pruebas de bombas 4
··
··
Measured curve
QG Q
H
HG
G
+ tQ QG- tQ QG
+ t H
XG
. .
.
- tH XG.
Gt
Fig. 73
Verificación de garantía de caudal, altura y rendi-miento según ISO 9906.
Curva medida
semiejes QGXG y HGXH, siendo el punto de traba-jo garantizado QGHG el punto central.
La garantía de altura y caudal está cubierta si lacurva Q/H medida corta o al menos toca la elipse.
El rendimiento debe establecerse de la curva Q/Hmedida donde le cruza la línea recta que pasa através del punto de trabajo especificado QG, HG yel cero de los ejes Q,H y desde donde una líneavertical cruza la curva ".La condición de garantía respecto al rendimientoestá dentro de la tolerancia si el valor de rendi-miento en este punto de la intersección es supe-rior o al menos igual a "G (1-t").GRUNDFOS ha desarrollado un método de aplica-ción de zonas de tolerancia elípticas de la norma-tiva ISO 2548, facilitando su utilización en cálculosnuméricos. El método utiliza la inclinación de latangente a la curva Q/H en el punto de verifica-ción y permite determinar numéricamente Hmín yHmáx al caudal garantizado, de modo que se cum-ple con la condición de la elipse.
Otras normativas de pruebasMuchos países han publicado normativas nacio-nales equivalentes a las normativas ISO. En EE.UU.se utiliza con frecuencia una normativa de prue-bas nacional, publicada por el Instituto Hidráulico.Esta normativa difiere de las normativas ISO res-pecto al sistema de tolerancias.
Desviaciones permitidas del funciona-miento realLa desviación máxima posible del punto de traba-jo garantizado se compone de inexactitudes de latecnología de medición y las tolerancias permiti-
das. Las normativas de pruebas especifican lasexigencias de exactitud de los instrumentos demedición y valores de referencia para las toleran-cias permitidas.La desviación real máxima posible del volumen decaudal deseado depende también de la forma dela curva característica de la tubería de impulsión yel sitio del punto de trabajo en la curva Q/H de labomba. Según las normativas ISO 9906, Grado 2 eISO 2548, la desviación cerca del punto óptimopuede ser de + 3 ... 10 %, dependiendo de la formade la curva de la tubería. Para las normativas ISO9906, Grado 1 e ISO 3555, la correspondiente des-viación es de + 2...6 %. Si el punto de trabajo estáen la gama de poco caudal, y la curva característi-ca de la tubería de impulsión es plana, las desvia-ciones pueden ser mucho mayores.Las tolerancias normales del rendimiento de labomba según las normativas de pruebas ISO sonlas siguientes:
ISO 9906, Grado 2 -5%ISO 2548 -5%ISO 9906, Grado 1 -3%ISO 3555 -2,8%
Son valores proporcionales, no percentiles.Para bombeo de aguas residuales, las toleranciasde las normativas ISO 9906, Grado 2 e ISO 2548son bastante aceptables. Son también compati-bles con variaciones de producción normalesdurante la fabricación. Exigencias más estrictaspueden suponer costes de fabricación adicionalesy demoras en el suministro. Las curvas publicadasde bombas de aguas residuales están tambiénbasadas en estas normativas, lo que está indicadoen dichas curvas.Los clientes pueden a veces poner como una con-dición que no aceptarán tolerancias negativas. Aconsecuencia surgen problemas y malentendidos,con dificultades tanto para el fabricante como elcliente. Las normativas de pruebas ISO no recono-cen sistemas de tolerancias asimétricas y las cur-vas publicadas de los fabricantes están basadasen sistemas de tolerancias simétricas de las nor-mativas ISO. Si un cliente observa que un caudalreal menor del indicado en la curva publicada esinaceptable, en vez de exigir tolerancias no nega-tivas, la mejor solución sería aumentar el caudalen 3 – 10 % y después seleccionar una bombabasada en este valor.No tiene mucho sentido exigir tolerancias nonegativas del rendimiento de la bomba, ya que losfabricantes se verían obligados a bajar los valoresnominales publicados. Unos valores prudentesdemasiado bajos no serían representativos de lamayoría de bombas y darían lugar a malentendi-dos.
58
4 Pruebas de bombas
Guaranteed point QG, HG
Measured curve
HG XH
QG XQ
QG Q
Q
HG
H
H
Fig. 74
Punto garantizado
Curva medida
Verificación del valor garantizado de caudal y alturasegún ISO 2548 e ISO 3555.
····
5 Estaciones de bombeo
El entorno de trabajo de las bombas sumergibles,independientemente de su tamaño, es la estaciónde bombeo. El diseño y la construcción de la esta-ción de bombeo son decisivos para el funciona-miento de las bombas, por lo que hay que ser cui-dadoso y meticuloso siempre que se especifiquen.A continuación presentamos información ele-mental del diseño de estaciones de bombeo, queproporciona pistas y consejos al proyectista y ope-rario de estaciones de bombeo. Se comentantambién algunos aspectos del funcionamiento einteracción de las bombas con la tuberías de laestación de bombeo.
5.1 Diseño básico de estaciones debombeo
El factor decisivo para el funcionamiento de lasestaciones de bombeo es un buen diseño hidrodi-námico. Un diseño incorrecto puede ocasionar unfuncionamiento defectuoso de las bombas, bom-beo no rentable y necesidades frecuentes de ser-vicio y limpieza de la estación de bombeo.Las estaciones modernas de bombeo están dise-ñadas para bombear aguas residuales sin tratar, ylos criterios de diseño de las mismas difieren deaquellos para agua limpia. A continuación comen-tamos el diseño y requisitos especiales de las esta-ciones de bombeo de aguas residuales y pluviales.
5.1.1 Volumen y área de la superficie de lafosa húmedaEl volumen efectivo de la fosa húmeda debe serdel tamaño correcto. Un volumen demasiadogrande puede ocasionar acumulación de lodos enla fosa, mientras que un volumen demasiadopequeño ocasiona arranques y paradas demasia-do frecuentes de las bombas. La utilización debombas sumergibles modernas, que toleran unaalta frecuencia de arranques, permite diseños deestaciones de bombeo más pequeños y eficientes.
El volumen efectivo de la fosa es el volumen entrelos niveles de arranque y parada de la bomba ypuede determinarse mediante nomogramas enfunción de la frecuencia de arranques permitida.En el Apéndice B de este libro se presenta unmétodo para calcular el volumen efectivo de lafosa.
En la realidad el volumen que entra en una esta-ción de bombeo varía mucho en el tiempo, por loque la frecuencia media de arranques será másbaja que la teórica.
En un buen diseño, los niveles de arranque y para-da deben estar relativamente cerca entre sí por lossiguientes motivos:
La frecuencia de arranques de la bomba llega aser lo suficientemente alta para impedir quelodos e impurezas se depositen en el suelo de lafosa.La entrada de la estación de bombeo debe man-tenerse baja comparada con la fosa húmeda.
Un valor de referencia máximo de la altura delvolumen efectivo en estaciones de bombeopequeñas es de aprox. 1 m, y de 2 m en estacionesde bombeo grandes.
Puede sustituirse el volumen efectivo con el áreade la superficie de la fosa húmeda, utilizando lasiguiente ecuación:
Aw = (36)
dondeAw= área de la superficie de la fosa húmeda en m2Q = caudal total de la estación de bombeo, l/s
No obstante, para caudales de estaciones de bom-beo pequeñas, el área de la superficie estará limi-
59
Estaciones de bombeo 5
·
·
Q20
B = 1,5 DC = 0,8 D
Dimensiones recomendadas de instalación de bom-bas para bombas sumergibles.
Fig. 75
tada por las dimensiones físicas de las bombasdonde se utilizan bombas sumergibles. El área dela superficie será entonces mayor del obtenidocon la ecuación 36. La figura 75 muestra lasdimensiones recomendadas de instalación debombas.
Para caudales grandes el sentido de aproximaciónhacia las bombas debe ser de frente. Si el caudalviene de detrás, las bases sumergidas perturbanel caudal, ocasionando la formación de remolinos.Éstos impiden el funcionamiento de la bomba,reduciendo su funcionamiento y rendimiento yaumentando el riesgo de cavitación y vibracionesde la bomba.
5.1.2 Tubería de entrada de la estación debombeoLa ubicación y el tamaño de la tubería de entradade la estación de bombeo es importante para sufuncionamiento. Los problemas de funcionamien-to de las bombas se deben con frecuencia a undiseño erróneo de la tubería de entrada.
Una tubería de entrada situada demasiado alta enrelación a la superficie del líquido o con gran velo-cidad de caudal puede ocasionar la retención deaire y formación de remolinos en el agua cuandoentra en la fosa. El aire mezclado en las aguasresiduales tiende a quedarse, debido a la posibleadhesión de burbujas de aire a las partículas sóli-das presentes. Por lo tanto una cámara tranquili-zante separada no paliará en absoluto la situa-ción.
La altura de caída de la entrada debe siempreminimizarse y no ser de más de 1 m con bajo niveldel agua, independientemente de que si la esta-ción de bombeo tenga cámara tranquilizanteseparada o no. El efecto de una gran altura decaída de la entrada no puede paliarse eficazmen-te con tabiques para controlar la dirección del cau-dal.
El aire retenido en el agua tiende a quedarse den-tro del impulsor de la bomba donde, debido a lasfuerzas centrífugas, se acumula alrededor de ejecentral del impulsor. Como consecuencia puedenecesitarse más potencia y reducirse el funciona-miento y rendimiento. El riesgo de cavitación yvibraciones de la bomba aumenta también. Si lacantidad de aire en la bomba es muy grande, lamisma puede dejar de funcionar.
El aire es con frecuencia un problema en bombasque aspiran directamente de tanques de aireaciónen plantas de tratamiento, debido al alto conteni-do de aire. Una bomba que se coloca en un tanquede aireación debe quedar lo más bajo posible, conla tubería de aspiración cerca del fondo.
La ubicación de la tubería de entrada debe estar lomás lejos posible de la aspiración de la bomba. Lafigura 76 muestra diseños que deben evitarse.La velocidad del caudal en la entrada no debesuperar 1,2 m/s para que se evite la formación deremolinos en la fosa húmeda.
5.1.3 Forma del suelo de la fosa húmedaLa forma del suelo de la fosa húmeda es impor-tante para el funcionamiento de una estación debombeo de aguas residuales. Un buen diseñoimpide sedimentación en el fondo, pero puedetambién servir para evitar la formación de espu-ma y acumulación de restos flotantes en la super-ficie. Deben identificarse los siguientes principios
60
5 Estaciones de bombeo
Ubicaciones de entrada que deben evitarse. Si laaltura de caída de la entrada es demasiado grande, elaire retenido puede llegar directamente a la aspira-ción de la bomba o a lo largo de la superficie del suelode la fosa húmeda, con los problemas consiguientesde funcionamiento de la bomba.
Fig. 76
en un buen diseño del fondo:Todas las esquinas deben estar terminadas en unángulo de terminación mínimo de 45º. En estacio-nes de bombeo pequeñas, el ángulo puede ser dehasta 60º. Puede ser menor si la sección se auto-limpia con la fuerza de la corriente.El área del fondo debe minimizarse y el volumende líquido por debajo del nivel de parada de labomba debe mantenerse al mínimo.Al minimizar el área del fondo y el volumen resi-dual, las velocidades del caudal cerca de las entra-das aumentarán, y eliminarán los posibles depósi-tos de lodos. Un área de superficie que disminuyecuando el nivel del agua baja ocasiona menosacumulación de residuos en la superficie.
5.1.4 Niveles de paradaSe especifican los niveles de arranque y parada enla fase de diseño. Su función debe siempre com-probarse y, en caso necesario, cambiarse durantela puesta en marcha con el fin de garantizar unbuen funcionamiento.El nivel de parada debe estar lo más bajo posiblepara que la velocidad del caudal aumente hacia elfinal del ciclo de trabajo. Los límites de paradaestán fijados por la inmersión necesaria de refri-geración del motor o por el nivel cuando el aire esaspirado a la aspiración de la bomba. Este últimonivel no puede siempre preverse, sino debe confir-marse mediante pruebas durante la puesta enmarcha de la estación de bombeo.
En estaciones de bombeo con dos bombas sumer-gibles configuradas para funcionamiento enstandby (una bomba en reserva), el nivel de para-da puede normalmente ajustarse por debajo delmotor, incluso si el motor está principalmenterefrigerado por inmersión, ver la figura 77. Seseleccionan bombas idénticas para que puedansolas cubrir el caudal de la estación de bombeo,siendo el riesgo pequeño de que el nivel del líqui-do permanezca mucho tiempo cerca del nivel deparada. Las bombas sumergibles tienen tambiéndispositivos de protección contra sobrecalenta-miento que paran la bomba en caso de condicio-nes de refrigeración inadecuadas.
En estaciones de bombeo con muchas bombassumergibles que funcionan en condiciones varia-bles, el nivel de parada debe ajustarse de modoque los motores de las bombas estén siempresumergidos lo suficientemente para que se consi-ga una refrigeración adecuada. En dichas instala-ciones se prefieren bombas con camisas de refri-geración u otros medios de termodisipación inde-pendientes de la inmersión.
El ajuste del nivel de parada de bombas instaladasen seco depende de la altura de entrada de latubería de aspiración, forma y velocidad del cau-dal, 200 mm por encima de la entrada de la tube-ría de aspiración es una buena regla práctica paraesta altura y útil para el proyectista. La forma de laentrada de la tubería de aspiración es importantey las figuras 78 y 79 muestran unos buenos dise-ños. Para esta forma de entrada puede calcularse
61
Estaciones de bombeo 5
hs1 = E+a
hs1
hs2
K
E
hs2 = E+k/2a = 100-300mm
Niveles de parada recomendados en la fase de diseño.hs1 = nivel de parada de dos bombas sumergibles para funciona-miento en servicio-standby o bombas con refrigeración indepen-diente de la inmersión del motor. hs2 = nivel de parada de insta-laciones con varias bombas, con motores refrigerados por inmer-sión. Los ajustes finales del nivel de parada deben determinarsedurante pruebas de puesta en marcha.
Fig. 77
Reducing
Dp
D2
D1L R
F
hs
0,2 m
G
45bend
Dimensiones de instalación recomendadas para bom-bas sumergibles verticales instaladas en seco. F = 0,5. D1,V1 max. = 2,0m/s, G= Dp, L> D1 + 100 mm, R(L.
Fig. 78
Codo reductor
una altura de nivel de parada provisional de labomba mediante la siguiente ecuación:
hs = 0,04 ! Q + 0,2 (37)
dondehs = altura del nivel de parada, mQ = caudal de la bomba, l/s
En estaciones de bombeo con varios niveles deparada diferentes, por ejemplo en instalacionescon control de frecuencia, es importante progra-mar la secuencia de control para que se bombeehasta el nivel de parada más bajo por lo menosuna vez al día para limpiar el fondo.
5.1.5 Niveles de arranqueSi se dimensiona el área de superficie AW de unafosa húmeda utilizando la ecuación 36, el primernivel de arranque de una estación de bombeo condos bombas sumergibles configuradas para fun-cionamiento en servicio-standby puede ajustarse1 m por encima del nivel de parada. El nivel dearranque puede ser inferior cuando las afluenciassean pequeñas. El segundo nivel de arranquepuede ajustarse 0,2 ... 0,3 m por encima del pri-mero.
En estaciones de bombeo con más de dos bom-bas, los niveles de arranque deben considerarseen cada caso. Si las bombas tienen un nivel deparada común, un diseño adecuado tendría el pri-mer nivel de arranque 1 m por encima del nivel deparada y los siguientes niveles de arranque aintervalos de 0,3 m de éste. Si los niveles de para-da de las bombas son escalonados, los niveles dearranque deben ajustarse a intervalos iguales oparecidos.
En estaciones de bombeo con bombas instaladasen seco, los niveles de arranque deben ajustarsepor encima de la voluta de la bomba para garanti-zar que las volutas se llenen y las bombas empie-cen a bombear. Para bombas verticales, esta altu-ra puede ser considerable y debe ajustarse con unmargen según la figura 78.
Bombas horizontales requieren normalmenteconsideraciones especiales respecto a los nivelesde arranque, si la tubería de aspiración está dise-ñada para evitar la formación de bolsas de aire,ver la figura 79.
5.1.6 Dimensión y diseño de la tubería deaspiraciónEl diseño y dimensionamiento de la tubería deaspiración son importantes. Unos diseños erró-neos pueden ocasionar vibraciones, menor rendi-miento de la bomba y riesgo de cavitación.
La tubería de aspiración debe dimensionarse demodo que la velocidad del caudal no supere 2,0m/s para bombas verticales y 2,5 m/s para bom-bas horizontales. Puede ser necesario sobrepasarestos valores cuando se instalen bombas nuevasmás grandes en estaciones de bombeo viejas.Debe considerarse la situación en cada caso.Pueden permitirse mayores márgenes de seguri-dad de NPSH.
Las figuras 78 y 79 muestran diseños de la entradade la tubería de aspiración. La aspiración descen-dente ejerce un caudal limpiador en el suelo de laestación de bombeo y es menos propenso a aspi-rar aire de la superficie.
En bombas verticales, la tubería de aspiracióndebe girarse 90º para alcanzar la tapa de la aspi-ración de la bomba. El codo antes de la entrada deaspiración de la bomba es fundamental para sufuncionamiento, ya que hace el caudal irregular.Un codo demasiado pronunciado puede ocasionarcavitación del impulsor, menor rendimiento de labomba, así como vibraciones. Si la entrada deaspiración de la bomba es menor que la tubería deaspiración, debe utilizarse un codo reductor paraminimizar la interferencia. La figura 78 muestra
62
5 Estaciones de bombeo
Eccentric
D2
D1
F
hs
0,2 m
45
reducer
Dimensiones de instalación recomendadas para bom-bas sumergibles horizontales instaladas en seco.
F = 0,5 . D1,V1 max. = 2,5m/s.
Fig. 79
Reductoraescéntrica
dimensiones recomendadas de codos de aspira-ción.
La reducción de la tubería recta de entrada a unabomba horizontal debe ser excéntrica para evitaracumulación de aire y posible bloqueo del impul-sor.
Un diseño de la entrada con características decaudal desfavorables puede ocasionar una caídade presión lo suficientemente grande como paraagotar el NPSH disponible y causar cavitación dela bomba. Debe cumplirse con los márgenes deNPSH recomendados en instalaciones donde lageometría de la tubería de aspiración es preocu-pante. El concepto de cavitación, NPSH y reco-mendaciones de márgenes de NPSH están descri-tos en detalle en la sección 1 de este libro.
5.1.7 Tubería interior de estaciones debombeoLa tubería interior de impulsión de una estaciónde bombeo debe seleccionarse para una velocidaddel caudal de 2 ... 3 m/s. Debe ser de al menos 2m/s especialmente si las aguas residuales contie-nen arena, para que ésta salga de la bomba con elcaudal. Este requisito puede causar problemas abajas frecuencias en instalaciones con control defrecuencia. La figura 58 de la sección 3 muestrarecomendaciones de tamaño y pérdidas típicaspara tuberías. La dimensión de la tubería debe serde al menos 100 mm, pero puede ser de 80 mm enestaciones de bombeo pequeñas, siempre que elpaso libre de la bomba sea de 80 mm.
No se recomienda utilizar juntas flexibles en latubería interior, ya que la mayor parte de vibracio-nes de las tuberías son inducidas por la presióndel líquido que fluye y no pueden evitarsemediante la utilización de juntas flexibles. Al ins-talar juntas flexibles se corta la tubería y la sec-ción estará sujeta a una fuerza de separación conuna magnitud de la presión de la bomba x el área.La presión cerca de la bomba pulsa a una frecuen-cia que está determinada por la velocidad de labomba y el número de canales del impulsor, oca-sionando vibraciones de la tubería y la junta. Lavibración es más pronunciada cuando se instalanjuntas flexibles. Las juntas flexibles son tambiénpropensos a dañarse.
La tubería de impulsión está normalmente ensan-chada después de la bomba y, con el fin de ahorrar
energía, estás piezas de transición deben tenerforma cónica con un ángulo de desviación )máximo de 10º. Ver la figura 79.
Para bombas verticales instaladas en seco y bom-bas vortex sumergibles, la válvula de retencióndebe instalarse lo más lejos posible de la bombapara mitigar posibles problemas de aire en labomba durante el arranque.
Para bombas grandes instaladas en posición hori-zontal, donde los cojinetes del eje incluyen cojine-tes separados para fuerzas radiales y axiales, laválvula de retención no debe montarse directa-mente en la tubería vertical desde la brida de des-carga de la bomba. Los posibles choques de unaválvula que cierra rápidamente pueden golpear labomba tan fuerte que los cojinetes radiales sedañen progresivamente.
En instalaciones con varias bombas, las tuberíasde impulsión de las bombas deben unirsemediante un ramal, diseñada para evitar que,durante la parada de la bomba, se depositen sóli-dos en las tuberías individuales que pueden blo-quear la válvula. La figura 80 muestra buenosdiseños de ramales.
63
Estaciones de bombeo 5
Diseños de ramales de tuberías de impulsión. El diseñodebe resaltar una transición suave y evitar que lodosen la tubería de impulsión se depositen en las válvulasde impulsión de las bombas al pararlas.
Fig. 80
5.1.8 Dispositivos de agitadoLos dispositivos de agitado para estaciones debombeo constan de una válvula by-pass de con-trol remoto, montada en la bomba sumergibleantes de la conexión a la tubería. Al abrirse la vál-vula, el caudal de la bomba es devuelto a la fosahúmeda, agitando el líquido y dispersando losdepósitos de lodos y espuma. La material en sus-pensión saldrá con el líquido al cerrarse la válvulade agitado.
La válvula de agitado debe ser del tipo normal-mente cerrado (por ejemplo un dispositivo neu-mático de resorte) para que el bombeo pueda con-tinuar en el caso de funcionamiento defectuoso.
En una fosa húmeda de dimensiones y formacorrectas no se necesitan normalmente dispositi-vos de agitado. Son útiles en fosas húmedas viejasy grandes y en situaciones especiales, cuando lasaguas contienen grandes cantidades por ejemplode grasa. Un dispositivo de agitado puede tam-bién modificarse sin cambiar la estructura de lafosa húmeda. Los dispositivos son según el diseñodel fabricante y puede solicitarse informacióndetallada al fabricante de bombas.
5.1.9 Problemas de malos olores en esta-ciones de bombeoUna estación de bombeo de aguas residualespuede ocasionar problemas de malos olores en suentorno inmediato. Muchos factores influyen,tales como la ubicación de la estación de bombeo,la calidad de las aguas residuales, la situaciónantes de la estación de bombeo y las dimensionesy el diseño de la fosa húmeda. Si la estación debombeo está alimentada de otra estación debombeo lejana, el tiempo de trasiego de las aguasresiduales entre las estaciones de bombeo puedeser tan largo que se tornan sépticas por la acciónanaeróbica. Aguas fecales sépticas producenhidróxido de sulfuro (H2S) que, además de sertóxico, crea un olor pestilente típico.
Es prácticamente imposible predecir la apariciónde problemas de malos olores. Si son graves, pue-den tomarse las siguientes medidas para intentar
subsanarlos:Bajar los niveles de arranque y parada parareducir el tiempo de retención en la fosa húme-da e impedir que se formen lodos.Instalar un codo de entrada sumergible en la
fosa húmeda para que lleve las aguas residualesentrantes por debajo de la superficie, evitandoasí la formación de aerosoles.Instalar filtros de aire en los ventiladores de lafosa húmeda.Añadir productos químicos desodorizantes en laalcantarilla aguas arriba desde la estación debombeo.
5.1.10 Ejemplos de diseño de estacionesde bombeoEl diseño de la fosa húmeda depende del tamañoy caudal de la estación de bombeo. Las figuras 81...84 muestran principios de diseño de fosas húme-das para varios casos y tamaños de estaciones debombeo. Una estación de bombeo con bombassumergibles para grandes caudales puede dise-ñarse según la figura 83. El nivel de parada puedeajustarse a la altura hs2, si así lo requieren lasbombas. La velocidad del caudal VD en la secciónexpansiva de la fosa húmeda debe ser lo suficien-temente alta como para evitar sedimentación delodos. Un valor adecuado de VD es de 0,1 ... 0,3 m/scuando el líquido está en el nivel de parada. Puedecalcularse la dimensión D utilizando la relación
64
5 Estaciones de bombeo
·
·
·
·
Diseño de una estación de bombeo para bombas sumergibles decaudales relativamente pequeños (Q = 4 ... 50 l/s). La seccióntransversal preferida en estaciones de bombeo pequeñas es cir-cular, lo que minimiza el área de la superficie del líquido y evitaesquinas donde podrían acumularse lodos. Diámetro mínimo de1,5 ... 2 m para facilitar los trabajos de reacondicionamiento.
Fig. 81
D = (38)
donde
Q = caudal de la estación de bombeo, l/s.VD = velocidad del caudal en la sección expansiva,
0,1 ... 0,3 m/sD, C = dimensiones de la estación de bombeo, m
65
Estaciones de bombeo 5
Diseño de una estación de bombeo para dos bombas sumergibles de caudales medios (Q = 50 – 2000 l/s). La forma alar-gada de la fosa húmeda es una característica importante que aleja la tubería de entrada de las bombas e impide la for-mación de lodos en el suelo de la fosa húmeda.
Fig. 82
Q
1000 . VD. C
66
5 Estaciones de bombeo
stopvmax = 1,2 m/s
Diseño de una estación de bombeo para varias bombas sumergibles de grandes caudales. Si las bombas dependen dela inmersión para su refrigeración hay que tenerlo en cuenta al elegir el nivel de parada hs2.
Fig. 83
parada
5.1.11 Posiciones de bombas instaladas ensecoPara instalación en seco, la mayoría de fabricantespueden ofrecer bombas tanto para instalaciónvertical como horizontal. Una bomba en posiciónhorizontal ofrece normalmente ventajas, talescomo:
tubería más sencilla con menos codosel caudal de aspiración al impulsor es uniformecolocación inferior de la bomba.
Es posible que para bombas grandes en posiciónvertical no se cumplan con el requisito del margende seguridad de NPSH, debido a la ubicación de labomba y mayor requisito de margen, mientrasque una bomba horizontal será aceptable. Hayque tener en cuenta todos los puntos de trabajoposibles de la bomba al calcular el NPSH para ins-talaciones donde más de una bomba funciona almismo tiempo.
Bombas grandes para instalación horizontal lle-van barras guía para facilitar el desmontaje delmotor de la voluta de la bomba. Ver la figura 17 ensección 2.
67
Estaciones de bombeo 5
vmax = 1,2 m/sstop
Diseño de la fosa húmeda de una estación de bombeo con varias bombas instaladas en seco. Velocidad del caudal através de los codos de aspiración VO = 0,3 ... 0,4 m/s, con el líquido en el nivel de parada. La distancia interna B entrelas bombas puede seleccionarse para bombas sumergibles, mientras que la distancia M debe seleccionarse según laaltura de caída de la entrada y debe asegurar un caudal uniforme en las entradas de aspiración.
Fig. 84
···
parada
5.2 Estaciones de bombeo prefabri-cadas
5.2.1 Estaciones de bombeo para instala-ción en el exteriorLas estaciones de bombeo prefabricadas se sumi-nistran de fábrica preparadas para instalación insitu. El material utilizado es plástico reforzado confibra de vidrio (GRP) o, para estaciones de bombeopequeñas, polietileno (PE). Las estaciones soncompletas con todas las tuberías interiores y otroscomponentes en su sitio. Por lo tanto, la instala-ción se reduce a la excavación del sitio, cimenta-ción y conexión de la estación a la alcantarilla ytubería de impulsión de llegada, así como la cone-xión del panel de control al suministro eléctrico yposibles conexiones telemétricas.
Debido a la posible flotación de la estación debombeo al estar vacía hay que asegurarla a unacimentación o losa de hormigón, que tambiénpueden ser prefabricadas y adaptadas a los per-nos de cimentación de la estación de bombeo. Lamasa de la losa de hormigón puede calcularse uti-lizando la siguiente ecuación:
MB = 2000 . V G (39)
dondeMB = masa de hormigón (kg)
VG = volumen de la estación de bombeo por deba-
jo del nivel freático (m3)
Hay que purgar la estación de bombeo para impe-dir la formación de gases tóxicos o explosivos. Sihay riesgo de heladas, la parte superior de la esta-ción de bombeo debe aislarse.
Las estaciones de bombeo prefabricadas llevantapas de acceso, que pueden ser de aluminio oacero galvanizado y estar moldeadas en la estruc-tura. La tubería interior puede ser de fundición oacero inoxidable de poco espesor, con codos yramales soldados. Las válvulas deben ser de fun-dición, y ser adecuadas para utilización tanto enposición horizontal como vertical. Las figuras 86 ...88 muestran típicas estaciones de bombeo prefa-bricadas.
68
5 Estaciones de bombeo
Dibujos de estaciones de bombeo de fosa húmeda-fosa seca. Las bombas pueden instalarse en posi-ción vertical (A) u horizontal (B). La construcción delas bombas sumergible está protegida contra inun-dación accidental de la cámara seca. La fosa secatiene una bomba de achique separada para vaciarel agua de filtraciones. El panel de control de laestación de bombeo puede instalarse en la partesuperior o dentro de la fosa seca por encima delnivel de inundación.
Fig. 85
69
Estaciones de bombeo 5
Estación de bombeo prefabricada con caseta deservicio en el exterior. El collar de la fosa húmedasirve de cimentación para la caseta.
Fig. 86
Típica estación de bombeo prefabricada. La fosahúmeda está completa con plataformas de trabajoplegables para acceso a válvulas y mantenimiento.
Fig. 87
5.2.2 Estaciones de bombeo para instala-ción en el interiorEstaciones de bombeo para capacidades muypequeñas pueden instalarse en el interior, porejemplo en sótanos de edificios cerca del origendel efluente. Pueden estar diseñadas como depó-sitos con las bombas integradas o montadas porfuera. La figura 89 muestra unos dispositivos típi-cos.
5.3 Estaciones de bombeo con bom-bas instaladas en columna
Las estaciones de bombeo con bombas instaladasen columna tienen típicamente gran capacidad debombeo y especialmente las bombas axiales sonsensibles a las condiciones en la cámara de aspi-ración. La figura 90 muestra distancias recomen-dadas entre las bombas, así como entre las bom-bas y secciones de pared. Es de suma importanciaque el caudal de alimentación de las bombas seauniforme y que la velocidad del caudal en estepunto no supere 0,5 m/s.
70
5 Estaciones de bombeo
Estación de bombeo prefabricada de fosa húmeda-fosa seca. La forma redonda de la fosa húmeda añaderesistencia y facilita la fabricación. Bombas sumergi-bles instaladas en seco están a salvo de inundacionesy son fáciles y limpias de mantener. Una plataformaintermedia da acceso al panel de control, montadopor encima del nivel de inundación.
Fig. 88
Estación de bombeo para caudales pequeños. Labomba puede estar integrada en la estructura deldepósito y puede retirarse fácilmente. La construcciónhermética al aire es adecuada para instalación en elinterior, y la unidad puede instalarse cerca de la fuen-te del efluente.
Fig. 89
Fig. 90
Recomendaciones de distancia entre las bombas yvelocidad del caudal de aspiración para bombas insta-ladas en columna.
Bomba instalada encolumna
Diámetro de lacolumna
Ancho del tanque de aspiración (m)Número de bombascaudal de bomba (m3/s)
Profundidad del agua en la sección A-A (m); S+C
La inmersión de la bomba debe ser suficiente paraque se eviten remolinos de aspiración. La figura 91muestra un diagrama de recomendaciones dedimensionamiento según la nueva norma CENpropuesta (borrador). Es todavía imposible prede-cir totalmente de antemano la aparición de remo-linos de aspiración. Las características de labomba y las condiciones del caudal en la cámarade aspiración influyen en el desarrollo de losremolinos de aspiración. La forma de la cámara deaspiración puede ocasionar la aparición inespera-da de remolinos. Pueden evitarse colocando unaboya por encima de la misma, si eso es posible.
Las bombas se instalan con frecuencia en colum-nas de forma que el agua sale directamente haciaarriba a través de la columna. El diseño de salidasuperior puede en estos casos cambiar la altura dela bomba y utilización de energía. La figura 92muestra un buen diseño. La columna de la bombaestá determinada bastante por debajo del rebosa-dero, por lo que el caudal se suaviza antes de fluirpor encima del rebosadero. En este diseño puedecalcularse la altura de la bomba con suficienteexactitud, utilizando las ecuaciones de la figura92. Para evaluaciones prácticas no es necesariocontar con las pérdidas en la columna.
71
Estaciones de bombeo 5
10 50 100 500 1000 5000
3
2
1
3
2
1
1
Fig. 91
Recomendación de profundidad de inmersión de bombas según norma CEN propuesta (borrador).
Fig. 92
Diseño de salida superior y determinación de altura de bombas instaladas en columna.
Área recomendada
Caudal Q (l/s) de bomba
rebosadero de cresta redonda
rebosadero de cresta afilada
v = velocidad del caudal (m/s)
Q = caudal (m3/s)
b = ancho del rebosadero [m]
5.4 Selección de dimensiones deestaciones de bombeo
El dimensionamiento de una estación de bombeoestá basado en el caudal esperado de entrada, quenormalmente debe estimarse. No pueden siem-pre utilizarse valores de referencia, ya que los cau-dales dependen de muchas variables. Pueden con-seguirse información de proyectistas de sistemasde alcantarillado o, menos accesible, de literaturatécnica sobre el tema. La posibilidad de amplia-ciones futuras del sistema de alcantarillado debetambién considerarse como capacidad de reservao flexibilidad del tamaño de la instalación debombeo. La afluencia a la estación de bombeo deaguas residuales varía también mucho con eltiempo, tanto en ciclo corto como largo.
La estimación del caudal de entrada empiezasiempre con el análisis de las posibles partes cons-tituyentes. Se clasifican normalmente como
aguas residuales de zonas residencialesefluentes industrialesaguas pluviales (lluvia y nieve derretida)aguas de filtraciones
El agua de filtración es el agua que entra en el sis-tema del alcantarillado de fugas del agua subte-rránea, tuberías de agua con fugas o aguas plu-viales que entran inesperadamente en un sistemaseparado de aguas fecales a través de registros uotras entradas, tales como excavaciones de obrasde construcción.
Hay que conocer el tipo de utilización para dimen-sionar correctamente una estación de bombeo.Los sistemas de alcantarillado se clasifican como
alcantarillas de aguas residuales normales, sólopara efluentes domésticos y/o industrialesalcantarillas de aguas pluviales, sólo para aguaspluvialesalcantarillas combinadas, tanto para aguas resi-duales normales como aguas pluviales envarias proporciones.
5.4.1 Estaciones de bombeo de aguas resi-duales normalesLa estimación del caudal de aguas residuales resi-denciales está normalmente basada en el númerode habitantes. El caudal varía en ciclos diarios ysemanales, siendo la variación de 0,5 ... 1,5 veces elcaudal medio. Los efluentes industriales deben
estimarse en cada caso, dependiendo del tipo deplanta en cuestión. La cantidad de aguas de filtra-ciones presentes depende de un número de varia-bles, tales como el nivel del agua freática, lluviaslocales y características del suelo, así como elestado general de las tuberías subterráneas.Puede estimarse como unidades por unidad delongitud de tubería, por ejemplo kilómetro, ocomo un ratio relacionado con la cantidad deaguas residuales.Hay que tener en cuenta la posibilidad de inunda-ción en la estación de bombeo con los consiguien-tes daños al entorno. Por este motivo, las estacio-nes de bombeo de aguas residuales tienen dosbombas configuradas para funcionamiento enservicio-standby (una de reserva), pudiendo cadabomba manejar el caudal máximo. Por lo tanto,no habrá inundación cuando una bomba está ave-riada o siendo reparada. Si la capacidad de la esta-ción de bombeo está basada en dos bombas fun-cionando en paralelo, hay que tener una terceracomo bomba en standby. Estaciones de bombeode comunidades o privadas pueden llevar unasola bomba, ya que la afluencia de aguas residua-les puede controlarse fácilmente, restringiendo lautilización de las instalaciones.
5.4.2 Estaciones de bombeo de aguas plu-vialesLos caudales de las aguas de lluvia son considera-blemente mayores que otras fuentes de aguaspluviales, por ejemplo nieve derretida. El dimen-sionamiento del sistema debe basarse en lamayor cantidad prevista que llegará a la estaciónde bombeo. Puede que esta cantidad de caudal nosea régimen torrencial, ya que está permitido quelas alcantarillas de aguas pluviales se inunden encondiciones de fuertes lluvias debido a la relativainocuidad de las aguas de lluvia. La tolerancia deinundaciones de la zona y el tipo de entorno urba-no en cuestión influyen también en los valores deldiseño. Además deben tenerse en cuenta lasaguas de filtraciones.Se controlan las inundaciones en la estación debombeo mediante compuertas que descargan enun sentido adecuado, tal como una acequia o uncanal.Las estaciones de bombeo de aguas pluviales norequieren el mismo factor de seguridad que lasestaciones de bombeo de aguas fecales y puedendiseñarse para manejar el caudal máximo contodas las bombas funcionando el paralelo.
72
5 Estaciones de bombeo
····
·
·
·
5.4.3 Estaciones de bombeo combinadasde aguas residuales y tanques de reten-ciónEl caudal de dimensionamiento de estacionescombinadas de bombeo de aguas residuales es lasuma de los caudales estimados de aguas fecales,aguas pluviales y aguas de filtraciones. El requisi-to de seguridad es el mismo que para estacionesde bombeo de aguas residuales, por lo que debendimensionarse con al menos una bomba enstandby (reserva). Las estaciones de bombeo com-binadas reúnen de forma desfavorable las carac-terísticas de las estaciones de bombeo de aguasresiduales normales y aguas pluviales, por lo quese desaconseja su utilización.
En relación con estaciones de bombeo tanto deaguas pluviales como combinadas de aguas resi-duales pueden utilizarse tanques de retenciónpara almacenar la afluencia de aguas residualesque supere la capacidad de bombeo instalada.Cuando el caudal baja (como después de unafuerte lluvia), se vacía el tanque mediante bom-beo o por gravedad y puede reanudarse el funcio-namiento normal de la estación de bombeo.Pueden también utilizarse tanques de retenciónpara igualar variaciones de las aguas residualesafluentes a una planta de tratamiento. Es funda-mental que el tanque de retención impida la sedi-mentación de sólidos en el suelo del tanque alvaciarse. Esto puede lograrse diseñando la forma
del tanque "autolimpiable" o agitando y mezclan-do el contenido del tanque. Los fabricantes debombas han desarrollado agitadores eyectoresespeciales, que constan de un eyector que extraeaire de la superficie, en combinación con unabomba sumergible. La figura 93 muestra el dise-ño.
El aire proporcionado por el eyector hace que elmezclado sea más eficaz a poca profundidad delagua. La potencia de bombeo necesaria puedeestimarse en aprox. 70 W por m2 de la superficiedel fondo del tanque. Los eyectores deben colo-carse de modo que los chorros arrastren los sóli-dos hacia el desagüe del tanque.
73
Estaciones de bombeo 5
Fig. 93
Eyector y bomba para tanques de retención
5.5 Selección de bomba
5.5.1 Selección de bomba basada en lascurvas de bombaLas bombas para un proyecto de una estación debombeo se seleccionan en primer lugar mediantelos métodos descritos en el capítulo 3 de estelibro. Un buen método es considerar algunasbombas de la gama del fabricante que tengancurvas cerca del punto de trabajo deseado.
Deben incluirse bombas que tengan curvas tantopor encima como por debajo de la necesidad ini-cial, ya que otras consideraciones, tales como elrendimiento y coste de la bomba, pueden ser fac-tores económicamente decisivos.
La característica intermitente del funcionamientode una estación de bombeo de aguas residualespermite un amplio margen de selección debomba, por lo que el proyectista no está limitadoa un punto de trabajo nominal determinado.Puntos de trabajo calculados teóricamente son detodas formas imprecisos, ya que la altura realpuede variar debido a niveles de arranque y para-da cambiantes producidos por un control de nivelprogramado, desgaste de la bomba y toleranciasen las tuberías y curvas características de labomba.
Por ejemplo, una bomba cuya curva de altura essuperior a la diseñada al principio puede ofrecermejor rentabilidad total, especialmente si la curvacaracterística de la tubería es plana o si las pérdi-das dinámicas son pequeñas comparadas con laaltura geodésica.
Por lo tanto, el proyectista de la estación de bom-beo sabe muy bien que debe seleccionar unabomba de la gama estándar del fabricante y abs-tenerse de pedir bombas ajustadas exactamente.La utilización de bombas estándar facilitará tam-bién el uso de repuestos y posterior cambio debomba, en caso necesario.
La selección de bomba debe comprobarse paraasegurar que el punto de trabajo bajo ninguna cir-cunstancia esté fuera de la gama permitida de lacurva. La gama de funcionamiento puede limitar-se debido a varios motivos, tales como riesgo decavitación o vibraciones, o sobrecarga. Debe com-probarse lo siguiente:
Los puntos de trabajo de bombas sencillas eninstalaciones con varias bombas que bombeanen paralelo a una tubería de impulsión común.Los puntos de trabajo en situaciones cuandouna, dos y hasta e inclusive todas las bombasfuncionan en paralelo.El efecto de variaciones del nivel del líquido enel punto de trabajo de la bomba. El nivel dellíquido puede variar en la fosa de aspiración, asícomo en el depósito de descarga. Si los puntosde trabajo de la bomba llegan al área de cavita-ción (NPSHr >10 m) debido a un nivel de aspira-ción creciente y por lo tanto una mayor alturade aspiración, la bomba puede normalmenteutilizarse sin consecuencias, ya que el NPSHA
aumentará del mismo modo. Por lo tanto seevitará la cavitación de la bomba y sólo debenconfirmarse la potencia necesaria de la bombay la potencia disponible del motor. Se reco-mienda consultar con el fabricante de bombasen casos dudosos. Es especialmente importan-te comprobar todas las combinaciones de nivelposibles para bombas de hélice, ya que éstastienen unas bandas Q/H muy estrechas permi-tidas, debido a curvas de potencia muy varia-bles.
5.5.2 Comprobación del rendimiento de labombaCuanto más grandes sean las bombas, mayorimportancia tiene su rendimiento para la selec-ción de bomba. Cuando sea necesario deben cal-cularse los costes del ciclo vital de varias alternati-vas. Ver la sección 7. Deben tenerse en cuentatodos los puntos de trabajo en distintas situacio-nes de trabajo. Deben comprobarse por separadolos cuatro siguientes casos distintos:
Dos bombas están instaladas con configura-ción para funcionamiento en servicio/standby,o todas las bombas tienen tuberías de impul-sión separadas.En estos casos las bombas sólo tienen un puntode trabajo (si no se tienen en cuenta las varia-ciones del nivel de aspiración del líquido) y lasituación es relativamente fácil respecto al ren-dimiento. La selección de bomba no debebasarse en una curva Q/H cercana al punto detrabajo deseado, si el mejor punto de rendi-miento de la bomba queda muy lejos. Puedeencontrarse otra bomba con una curva Q/H porencima del punto de trabajo deseado, pero conun rendimiento mucho mayor a un precio pare-cido y será una elección mucho mejor.
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5 Estaciones de bombeo
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A.
Varias bombas en servicio con tubería deimpulsión común. En este caso las bombas pue-den tener varios puntos de trabajo, dependien-do del número de bombas en funcionamiento.El punto de trabajo se selecciona normalmentepara la situación en la que todas las bombas enservicio funcionan al mismo tiempo. Para que elrendimiento de la bomba sea el mejor posiblecon menos bombas funcionando, debe elegirseuna bomba que tenga su mejor punto de rendi-miento a la derecha del punto de trabajo princi-pal, ver la figura 94.Bombas utilizadas con control de frecuencia.Para que el rendimiento sea aceptable tambiéna bajas frecuencias, y para que Qmín sea lo sufi-cientemente pequeño, el mejor punto de rendi-miento debe estar a la izquierda del punto detrabajo principal. Ver la figura 95.Varias bombas en servicio con tubería deimpulsión común y control de frecuencia.Para este caso la mejor elección es probable-mente una bomba, cuyo mejor punto de rendi-miento coincida lo más posible con el punto detrabajo principal.
A menudo puede considerarse más de unabomba, incluso del mismo fabricante, para unpunto de trabajo deseado. Una alternativa puedeofrecer unos menores costes pero tener menorrendimiento que otra. La decisión entre estasbombas debe en principio estar basada en un aná-lisis del coste del ciclo vital. Esta evaluación deben
muchas veces hacerla el cliente o su asesor, ya queel fabricante de bombas no dispone normalmentede toda la información relevante. La postura delcomprador puede también ser significativa, yaque un contratista puede dar más importancia alprecio de adquisición que a los costes de funcio-namiento, mientras que el propietario mirará loscostes totales.
Lamentablemente el fabricante de bombas debemuchas veces seleccionar y ofrecer bombas sintener información, o muy poca, del proyecto, porlo que la selección de bomba no será óptima oincluso incorrecta. Especialmente la informaciónde lo siguiente es muy importante:
¿Utilizará más de una bomba una tubería deimpulsión común? En este caso se necesitan lacurva característica de la tubería de impulsión oel número de bombas en servicio y el valor de laaltura geodésica.Información respecto a la utilización de controlde frecuencia.Para bombas instaladas en columna se necesitainformación respecto a la naturaleza del líquidocon el fin de averiguar la posibilidad de utilizarbombas axiales de hélice.
5.5.3 Número de bombasLas bombas de una estación de bombeo de aguasresiduales se seleccionan de modo que por lomenos una bomba esté siempre en standby.
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Estaciones de bombeo 5
B.
C.
D.
Selection point
max
Varias bombas en servicio con tubería de impulsióncomún. "max de las bombas debe estar a la derecha delpunto de selección.
Fig. 94
Selection point
max
Funcionamiento con control de frecuencia. "max de labomba debe estar a la izquierda del punto de selec-ción.
Fig. 95
Punto de selección Punto de selección
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Especialmente en grandes estaciones de bombeo,debe seleccionarse un número de bombas quepermita optimizar su utilización y los costes de lainversión. El coste de la capacidad de bombeo, o lapotencia de la bomba en KW, disminuye conmayor tamaño de bomba. Por otro lado, la nece-sidad de una bomba en standby aumentará elcoste de redundancia, si se utilizan muy pocasunidades grandes. Los costes de instalación sonpor lo tanto casi constantes para cierta capacidad,independientemente del número de bombas utili-zadas para cubrirla, al menos dentro de una gamarazonable. Del mismo modo, los costes de energíase mantendrán casi constantes, si las bombasconsideradas pueden funcionar cerca del puntode trabajo óptimo.
Otro factor que influye en la selección del númerode bombas puede también ser la necesidad deuna salida uniforme o continua que se consiguemás fácilmente con muchas bombas.
El número óptimo de bombas para la mayoría deestaciones de bombeo pequeñas a medianas esde dos, a no ser que haya requisitos especiales.
En estaciones de bombeo con varias bombassuele ser buena costumbre seleccionar sólo bom-bas idénticas. En algunos casos especiales dondeel caudal entrante oscila casualmente y en granparte, por ejemplo a causa de lluvias torrenciales,puede ser prudente instalar bombas más grandesque sólo funcionan en condiciones extremas.
El efecto en el coste de inversión debido a varia-ciones del número de bombas instaladas para unademanda de bombeo específica puede variar deun fabricante a otro, ya que los aumentos deltamaño de las bombas son diferentes de diferen-tes fabricantes. Por lo tanto, al aumentar el núme-ro de bombas, la instalación puede resultar máseconómica con un fabricante y más cara con otro.Donde se requieren muchas bombas para el fun-cionamiento de una estación de bombeo, elnúmero final debe dejarse abierto para que losfabricantes licitantes decidan dentro de ciertoslimites. Por lo tanto, si hay muchos licitantes lasofertas serán probablemente más competitivas.
5.6 Condiciones especiales
5.6.1 Vibraciones de la bombaLa mayoría de las bombas de aguas residualesvibran, por lo menos hasta cierto punto. Las vibra-ciones se producen por el desequilibrio mecánicoresidual de las piezas giratorias, pulsaciones depresión causadas por los álabes del impulsor y lafuerza radial hidrodinámica ocasionada por lamasa del fluido que gira con los impulsores de unsolo álabe. Las bombas vortex vibran muchomenos, ya que no provocan presiones pulsantes.El desequilibrio residual es insignificativo en bom-bas de voluta en comparación con otros factoresde vibración. La mejora de procedimientos deequilibrio ya buenos del fabricante no tienen efec-to apreciable en las vibraciones de la bomba.
Los impulsores de bombas de aguas residuales(excepto impulsores vortex) causan más vibracio-nes que los impulsores para agua limpia, debidoal pequeño número de álabes y grandes canales.El método de instalación de la bomba tiene tam-bién un impacto importante en el nivel de vibra-ciones. Una bombas sumergible que está coloca-da en una base permanece en sitio sólo por supropio peso, lo que aumenta las vibraciones sicomparamos con una instalación fija. Una bombainstalada en posición vertical puede vibrar másque una bomba en posición horizontal, debido auna estructura diferente del soporte. El codo deaspiración necesario puede también incrementarlos niveles de vibraciones.
Pronósticos de vibraciones e información de cál-culos de bombas de aguas residuales están dispo-nibles en la publicación de EuroPump "Guide toForecasting the Vibrations of Centrifugal Pumps",(Guía para pronosticar vibraciones de bombascentrífugas), 1992 EuroPump. Los valores presen-tados en este libro son recomendaciones y sonválidos cuando se miden en el cojinete principalmás cercano al impulsor de la bomba. Cualquiervelocidad de vibraciones superior a 10 mm/s(RMS) medida en este punto indica un estadoanómalo de la bomba. El motivo puede ser atas-cos de la bomba, funcionamiento fuera de la sec-ción permitida de la curva Q/H de la bomba, fuer-te cavitación y mucho aire en el líquido o impulsordañado. Puede controlarse el posible desequilibriomecánico, dejando que la bomba se quede sinagua cuando la lectura de vibraciones debería serinferior a 2 mm/s (RMS).
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5 Estaciones de bombeo
La frecuencia de vibraciones de bombas con cuer-pos de voluta es igual a la velocidad de rotacionespor el número de álabes del impulsor. Si la bombao la tubería está sujeta de manera que la frecuen-cia natural de estos elementos está cerca de la fre-cuencia de resonancias de la bomba, la resonanciadel sistema aumentará las vibraciones. Para unabomba con control de frecuencia el sistema puedevibrar más a alguna frecuencia debido a resonan-cias.
La pulsación de presión causada por la bombaavanza en la tubería de impulsión con el caudaldel líquido durante varios metros, ocasionandovibraciones en la pared de la tubería. Los nivelesnormales de vibraciones en tuberías están pordebajo de 10 mm/s (RMS). Si son mayores puedendañar la tubería. El motivo puede ser un soporteinadecuado de la tubería o resonancias.
Bombas instaladas en columna tienen bajos nive-les de vibraciones debido a los álabes posterioresde la voluta, que amortiguan eficazmente la pul-sación de presión. No obstante, un impulsor de unsolo álabe puede ocasionar pulsaciones de pre-sión debido a las intensas fuerzas hidrodinámicascausadas.
5.6.2 Ruido de la bombaLos siguientes factores influyen en el nivel deruido de una estación de bombeo:
ruido de vibraciones de la bombaruido de vibraciones de la tubería causado porla pulsación de presión de la bomba u otrasvibraciones caudal en la tubería. Codos de tubería, codos enT y válvulas originan perturbaciones en el cau-dal, haciendo ruidocaracterísticas acústicas de la estación de bom-beocaudal entrante en la fosa húmedacavitación de la bomba
El nivel de ruido en estaciones de bombeo, com-puesto por todos los factores, anteriores no esmuy útil y no puede medirse con exactitud in situ.El ruido de la tubería es normalmente decisivo,debido a la gran superficie que emite las vibracio-nes. Para hacer una medición correcta del nivel deruido de la bomba, está debe estar colocada en unsitio protegido adecuadamente, con la tubería enel exterior. No existen normativas para niveles deruido permitidos de bombas de aguas residuales.
Es difícil definir métodos de medición del nivel deruido de bombas sumergibles debido a las dificul-tades prácticas que esto implica.
Los ruidos de una estación de bombeo no son unproblema habitual. Una estación de bombeo,construida en conexión con un edificio de vivien-das u oficinas, puede en algunos casos ocasionarproblemas de ruido. Cuando éstos son graves, lastuberías y los motores de bombas instaladas enseco pueden revestirse con un aislante acústico.
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Estaciones de bombeo 5
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6 Bombas de aguas resi-duales con control de fre-cuencia
6.1 General
Los motivos de utilizar control de frecuencia sonen principio los siguientes:
nivelación del caudal por motivos técnicos rela-cionados con los procesosahorros de energía factibles debido a la curvacaracterística favorable de la tubería de impul-sión.
Se utiliza el control de frecuencia en las siguientesaplicaciones por motivos técnicos relacionadoscon procesos:
aplicaciones de bombeo de lodos de retornobombas recirculadoras en procesos de reduc-ción de nitrógenoestaciones de bombeo de entrada aplantas de tratamiento
Como alternativa puede regularse el caudalentrante, incrementado el número de bombas dela última estación de bombeo. Al tener un controlmejor de las bombas y mayor frecuencia de arran-ques puede nivelarse el rendimiento. Pueden tam-bién utilizarse un tanque de la planta de trata-miento y el diseño de canal para nivelar el caudalde la planta. En otras estaciones de bombeo sólodebe plantearse la utilización del control de fre-cuencia si pueden esperarse grandes ahorros deenergía.
El control de frecuencia sólo ahorra energía si latubería de impulsión es larga y la parte geodésicade la altura total es inferior al 40 %. En instalacio-nes con gran altura geodésica, el consumo deenergía aumentará indudablemente con controlde frecuencia, ya que el punto de trabajo de labomba se moverá a una sección de su curva Q/Hdonde su rendimiento es menor. Se producen pér-didas en la unidad de control de frecuencia y sedisminuye el rendimiento del motor de la bomba.Siempre que se considere un variador de frecuen-cia sólo con el fin de ahorrar energía, debe calcu-larse por separado el periodo de amortización dela inversión en el sistema de control. Para el cálcu-lo deben conocerse las variaciones del caudal y elrendimiento de la bomba a diferentes frecuencias.
El rendimiento de la bomba depende también dela curva característica de la tubería de impulsión.Así mismo deben conocerse los rendimientos delvariador de frecuencia y del motor de la bomba avarias frecuencias.
El control de frecuencia aumenta el riesgo de atas-cos de la bomba. Si se selecciona control de fre-cuencia deben considerarse varias condiciones yhechos a la hora de diseñar la estación de bombeoy elegir las bombas.
6.1.1 Selección del motor de bombaLa corriente de alimentación modulada por varia-dores de frecuencia no es del todo sinusoidal, loque reduce ligeramente el rendimiento del motor.No obstante, teniendo en cuenta el punto de tra-bajo y las condiciones de funcionamiento, nor-malmente puede utilizarse el motor estándar dela bomba, siempre que no se supere la frecuencianominal de suministro (50 ó 60 Hz). El fabricantede bombas debe confirmar la elección de motor,ya que dispone de información completa respectoa la potencia y características para soportar subi-das de temperatura.
6.1.2 Frecuencia máximaEn instalaciones donde una bomba con control defrecuencia y una o más bombas sin control fun-cionan en paralelo, el control del rendimiento seráirregular en el punto donde una bomba de veloci-dad fija se añada o se retire del funcionamiento, ano ser que se deja funcionar con control de fre-cuencia a una frecuencia mayor que la nominal endicho punto. La sobrefrecuencia necesaria es típi-camente de 53 Hz para bombas de 50 Hz. La figu-ra 96 muestra la situación.
Si todas las bombas de una instalación en parale-lo tienen control de frecuencia, no se produciráuna situación con control irregular, por lo que unaregulación por encima de la frecuencia nominalno será necesaria.
Si se necesita una regulación por encima de lanominal, esto debe indicarse en todas las peticio-nes, para que el fabricante pueda tenerlo en cuen-ta en el proceso de selección de bomba y motor. Lautilización de una bomba estándar de 60 Hz parauna instalación de 50 Hz con control de frecuenciaes en algunos casos ventajosa, pero esta situacióndebe sopesarse contra los siguientes inconvenien-tes:
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6 Bombas de aguas residuales con control de frecuencia
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Si el variador de frecuencia está averiado y labomba sólo puede funcionar a 50Hz nominal,el rendimiento de una bomba de 60Hz bajahasta el 50-80 % del de una bomba de 50 Hz,dependiendo de las características de la tuberíade impulsión y las pérdidas por fricción.El motor tiene probablemente bobinados espe-ciales, debido a las diferencias de tensión debombas estándar de 60 Hz comparadas conbombas estándar de 50 Hz, lo que dificultará elservicio de recambios en el futuro.El rendimiento de la bomba puede ser inferior,ya que algunas bombas de 60 Hz han sidotransformadas de 50 Hz, reduciendo el diáme-tro del impulsor.
6.1.3 Frecuencia y funcionamiento míni-mosA menudo se pregunta por la frecuencia mínimapermitida de una bomba específica. Una respues-ta completa a esta pregunta requiere informaciónrespecto a la instalación y tubería de impulsión,ya que el desplazamiento del punto de trabajo alreducirse la frecuencia del funcionamientodepende de la forma de la curva Q/H de la bombay las características de la tubería de impulsión. Se
recomienda calcular la frecuencia mínima del cau-dal mínimo necesario con ayuda de la curva Q/Hde la bomba y las características de la tubería deimpulsión.
El bombeo de aguas fecales a un caudal demasia-do bajo (frecuencia demasiado baja) puede oca-sionar un desgaste excesivo de la bomba debido aarena u otras materias abrasivas que permanecenen la bomba en vez de salir con el líquido bombe-ado. Un caudal demasiado pequeño puede tam-bién atascar la bomba. Si la parte geodésica de laaltura de la bomba es grande (más del 40 %), elpunto de trabajo se moverá a la izquierda de lacurva Q/H de la bomba, donde su rendimiento esinferior y los costes de energía pueden subir.Como regla general, el funcionamiento mínimopuede limitarse al 25 % del caudal al mejor rendi-miento a frecuencia nominal (Qópt.).
Si la curva característica de la tubería de impul-sión sube pronunciadamente y posiblementevarias bombas funcionan simultáneamente,puede ser necesario definir varios niveles de cau-dal mínimos de bomba, dependiendo del númerode bombas en uso al mismo tiempo. Las bombasdeben entonces controlarse por medio de unautómata programable adecuado. Una frecuenciamínima determinada para el número máximo debombas que funcionan simultáneamente, y des-pués utilizada en todas las situaciones, dando unfuncionamiento mínimo variable, dependiendode las bombas en uso.
6.1.4 Curvas de frecuencias de la bombaLas curvas Q/H de la bomba para diferentes fre-cuencias son necesarias para determinar su fun-cionamiento a varias velocidades contra unadeterminada curva característica de la tubería deimpulsión. Debe determinarse la frecuencia míni-ma, así como el rendimiento de la bomba a variasfrecuencias. Se trazan fácilmente las curvas de labomba para diferentes frecuencias, en base a cál-culos de reglas de afinidad, pero las posibles limi-taciones de utilización de las curvas sólo puededeterminarlas el fabricante de bombas. Se reco-mienda pedir curvas de frecuencias al fabricante,con Q, H y " para diferentes frecuencias a interva-los de por ejemplo 5 Hz.
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Bombas de aguas residuales con control de frecuencia 6
H2
H
HJpipe
fN fmax fmin
(fN)
(fmin)
Q1 Q2Q
Funcionamiento en paralelo de bombas con controlde velocidad. Sólo una bomba tiene control de veloci-dad. Q1 = Rendimiento nominal de una bomba, Q2 =Rendimiento controlado de una bomba a velocidadmínima. El rendimiento controlado de una bomba seamplia a Q1 + Q2, evitando arranques y paradas repe-tidas de las bombas a velocidad máxima. fN =Frecuencia nominal (50 ó 60 Hz), fmáx = Frecuenciamáxima, fmín = Frecuencia mínima, " = rendimiento.
Fig. 96
tubería
·
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Las curvas de frecuencias pueden calcularse enbase a las reglas de afinidad, utilizando lassiguientes ecuaciones
Las ecuaciones anteriores son válidas al mismotiempo para cambiar un punto de trabajo Q/Hdeterminado y tienen una exactitud aceptablepara planteamientos prácticos.
6.1.5 Atascos de las bombasDurante el funcionamiento con control de fre-cuencia, el riesgo de atascos de las bombasaumenta debido a los siguientes motivos:
El nivel del líquido de la estación de bombeopermanece inalterado debido al control exactodel bombeo, lo que ocasiona acumulación deresiduos en la superficie y/o fondo de la fosa.Pueden ser mayores que el paso libre de labomba, bloqueando el impulsor durante elvaciado.Las bombas funcionan de forma continuadurante periodos demasiado largos, por lo queal pararse, impiden que el reflujo limpie losresiduos acumulados en las mismas.Las bombas paran lentamente al estar controla-das por el control de frecuencia, impidiendoque el reflujo limpie los residuos acumuladosen las mismas. El arranque suave impide tam-bién el proceso de limpieza.Una velocidad baja, junto con las curvas de latubería de impulsión y pérdidas, pueden ocasio-nar configuraciones complicadas del caudalinterno de la bomba, aumentando la suscepti-bilidad a los atascos.
Las instalaciones con control de frecuencia sondiferentes entre si y es imposible hacer un pro-
nóstico exhaustivo del comportamiento de labomba. El riesgo de atascos puede reducirsetomando las siguientes medidas:
Después de la puesta en marcha de la bomba secontrola la frecuencia de manera que el nivel dela fosa de aspiración baja progresivamente yalcanza el nivel de parada de la bomba en unahora en condiciones normales, parando labomba a continuación.Como se indica arriba, y además se programa labomba para que funcione a velocidad nominaldurante 30 segundos antes de parar en el nivelde parada. Esto aumenta el caudal en la fosa dela bomba y la tubería de impulsión, eliminandoposibles acumulaciones de residuos.Se programa la bomba para 1 – 2 secuencias debaldeo a la hora, aumentando su velocidadhasta la nominal durante 20 segundos durantecada secuencia. Después se para la bomba sincontrol de frecuencia o se baja la frecuencia a lamínima lo más rápido posible, permaneciendoasí durante aproximadamente 20 segundos.Pasado este tiempo se reanuda el funciona-miento normal de la bomba.La bomba se programa para funcionar en senti-do contrario durante algún tiempo antes decada arranque. Esto eliminará cualquier princi-pio de atasco que queda en la bomba desde elintervalo del funcionamiento anterior. Cuandola bomba marcha al revés, la frecuencia debeser inferior que la nominal para evitar vibracio-nes, es decir 30 Hz para una bomba de 50 Hz.Utilizando una válvula automática en vez deuna válvula de retención y programarla paraque siga abierta durante algún tiempo a ciertosintervalos después de la parada de la bomba,permitiendo que el reflujo limpie la bomba.
Cuando la bomba se para de repente, el agua en latubería de impulsión sigue fluyendo, limpiando afondo el impulsor que gira libremente y los posi-bles principios de atascos.
Las medidas anteriores pueden ajustarse en lafase de planificación de la estación de bombeo,pero sólo emplearse en caso necesario.
La utilización del control de frecuencia para lodosde retorno y bombas recirculadoras no aumentael riesgo de atascos. Esto es también válido para laestación de bombeo de entrada a la planta de tra-tamiento de aguas residuales, si el filtrado de lasaguas fecales se realiza antes de estas bombas.
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6 Bombas de aguas residuales con control de frecuencia
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6.1.6 Requisito de cable EMCSegún la Directiva del Consejo de la CE respecto ala compatibilidad electromagnética (EMC), losfabricantes de variadores de frecuencia puedenexigir que los cables de motor de la bomba se sus-tituyan por cables EMC compatibles y homologa-dos. El requisito de cables EMC para bombassumergibles puede complicar la fabricación yaumentar los costes. Los cables EMC complicantambién el manejo de la bomba, ya que sonmenos flexibles que cables eléctricos normales.Para bombas sumergibles, la elección de variadorde frecuencia puede estar supeditada al requisitoo nó de cables EMC. La utilización de cables EMCpuede evitarse mediante filtros supresores deemisiones en el variador de frecuencia.
6.1.7 Corrientes en los cojinetesEl control de frecuencia ocasiona en algunos casoscorrientes perturbadoras a través de los cojinetesde motores grandes de jaula de ardilla, refrigera-dos por aire, dañando los cojinetes. Los motoressumergibles son probablemente menos suscepti-bles a estas corrientes, ya que tienen buena cone-xión a tierra mediante la tubería y la inmersión enel agua, por lo que están protegidos. Esta hipóte-sis está corroborada por la experiencia deGRUNDFOS, que demuestra que, hasta la fecha,los cojinetes de los motores sumergibles no hansufrido daños. El añadir aislante a los cojinetesimplicaría tener que hacer grandes cambios deldiseño de los motores e incrementaría los costes.
6.1.8 Alta tensiónPara tensiones de alimentación de más de 500 V,el control de frecuencia puede ocasionar oscilacio-nes de tensión demasiado altas para motoresestándar. En estos casos puede ser necesario cam-biar el diseño de los motores con aislamientoespecial de los bobinados y cojinetes aislados. Porlo tanto, se desaconsejan tensiones por encima de500 V en combinación con control de frecuencia.
6.1.9 Motores antideflagrantesLos motores pueden funcionar a temperaturasmás elevadas de lo normal cuando tienen controlde frecuencia. Por lo tanto, una certificación anti-deflagrante de un motor a frecuencia nominalpuede quedar nula para funcionamiento con con-trol de frecuencia. La certificación antideflagrantede un cable de bomba probablemente no seráválida para un cable EMC.
Si se pretende utilizar un motor antideflagrantepara control de frecuencia, esto debe indicarseexplícitamente en la petición de oferta, para queel fabricante pueda evaluar correctamente si labomba y el motor son adecuados. Si va a añadirsecontrol de frecuencia a una instalación existentetambién hay que pedirle autorización al fabrican-te.
6.1.10 Valores garantizadosEl requisito principal del funcionamiento de unabomba es que su volumen de caudal correspondaa la demanda específica y que los costes de ener-gía de la bomba estén bajo control.
Para conseguir el rendimiento total, el punto detrabajo garantizado debe ser según funciona-miento en paralelo de las bombas. Si la curvacaracterística de la tubería de impulsión es plana(Hgeod alta), o si cada bomba tiene su propia tube-ría de impulsión, el mismo punto de trabajo estambién adecuado para evaluar la garantía delrendimiento de la bomba. Al otro lado, si la curvacaracterística de la tubería de impulsión es abrup-ta o si la altura geodésica oscila, resulta difícildeterminar un punto de garantía racional del ren-dimiento de la bomba. El punto de trabajo degarantía de " puede ser diferente de aquél delvolumen de caudal y altura. Se recomienda decidiraparte el punto de trabajo que se utilizará paraevaluar el rendimiento de la bomba. Este puntopodría ser el punto del rendimiento máx. o elpunto de la intersección de la curva Q/H de labomba a frecuencia nominal y la curva caracterís-tica de la tubería de impulsión. Como punto degarantía puede también elegirse un punto de tra-bajo a una frecuencia distinta a la nominal. Hayque tener en cuenta que, según las normativas depruebas, la velocidad de prueba de la bombapuede diferir en +20% de la velocidad de trabajoespecificada de la instalación de bombeo y que losresultados de los bancos de pruebas se conviertenmediante ecuaciones de la ley de afinidad eninformación del punto de trabajo.
6.1.11 Pruebas con variador de frecuencia(pruebas simultáneas)Si va a comprobarse el rendimiento total de lacombinación de bomba y variador de frecuencia,el fabricante de bombas está en una situacióndifícil. Se necesita información exacta del rendi-miento del variador de frecuencia y del rendi-miento del motor a intensidad modulada, cuando
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Bombas de aguas residuales con control de frecuencia 6
la alternancia de tensión es diferente que la ondasinusoidal no modulada. Estos datos son específi-cos para cada dispositivo y es casi imposible con-seguir información exacta de antemano, por loque hay que reclamarlos. La normativa de pruebastampoco especifica valores de tolerancias pararendimientos totales medidos en estas circuns-tancias. El fabricante de bombas debe tambiéndisponer del variador de frecuencia de antemanopara pruebas, lo que complica más las cosas yañade costes. Las pruebas simultáneas tienenpoco valor en la práctica.
6.1.12 Colaboración con el fabricante debombasEl diseño y la ejecución de una instalación concontrol de frecuencia de las bombas son muchomás complejos que las instalaciones sencillas debombas de velocidad constante. Por lo tanto, unacolaboración estrecha entre el fabricante de bom-bas y el cliente es importante ya en la fase de pla-nificación. También deben acordarse de antema-no los puntos de trabajo garantizados y la utiliza-ción de normativas de pruebas al negociar el con-trato, siempre que sea posible.
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6 Bombas de aguas residuales con control de frecuencia
7 Evaluación del coste delciclo vital de la bomba
El proceso de selección de bomba debe incluir unaevaluación del coste vital de la misma, con unaestimación de todos los costes de inversión, fun-cionamiento y mantenimiento de la estación debombeo durante toda la duración prevista. Laimportancia de las evaluaciones del coste del ciclovital y de los cálculos comparativos aumenta alincrementarse el tamaño de la estación de bom-beo. Por ejemplo, los costes de energía para el fun-cionamiento de bombas de tamaño medio deaguas residuales (30 kW) durante tres años equi-valen a los costes de adquisición iniciales de lasbombas.
7.1 General
Se necesitan los costes del ciclo vital de la instala-ción de bombeo para calcular la viabilidad finan-ciera y de la inversión en el proyecto. Por ejemplo,en un proyecto de reforma de una estación debombeo, donde se cambian bombas viejas connuevas, el criterio principal de evaluación de lainversión es la evaluación del coste del ciclo vital.Unos cálculos correctos a largo plazo deben incluirlos cambios previstos del coste energético, lastasas de devaluación e intereses, además de loscostes del ciclo vital de la bomba. Estos cálculosexigen experiencia financiera y en dirección deproyectos, además de unos conocimientos sólidosde bombas.Se utilizan habitualmente los cálculos del costedel ciclo vital para comparar las bombas durantela adquisición. Las alternativas a considerar o sondistintas marcas, o distintos modelos del mismofabricante. En estas comparaciones los compo-nentes financieros tienen normalmente la mismaimportancia proporcional para las distintas alter-nativas. Los cambios futuros de los costes de ener-gía y de la mano de obra de mantenimiento sondifíciles de predecir, por lo que resulta lógico sim-plificar los cálculos comparativos para que cons-ten de cálculos de los costes del ciclo vital al nivelactual de los costes, sin análisis financiero. Deesta manera el análisis puede basarse en dosplanteamientos:
Se calculan los costes del ciclo vital de las dis-tintas alternativas al nivel actual de los costes yse comparan.Se hace una comparación basada en la alterna-
tiva más económica, calculando los periodos deamortización de aquellas alternativas que ten-gan menores costes de funcionamiento y man-tenimiento.
Hay que tener en cuenta que estos métodos tie-nen unos márgenes de error bastante grandesrespecto a los costes de energía y mantenimientoque están basados en previsiones, tales comoestimaciones del volumen bombeado y del des-gaste.
La decisión puede también estar basada en cues-tiones de principios o comerciales. Aspectosmedioambientales pueden dar énfasis a la utiliza-ción y costes de energía. Si las bombas formanparte de un contrato general y las compra un con-tratista, el precio de adquisición puede ser decisi-vo.
7.2 Periodo de cálculo
La vida útil de bombas modernas de aguas resi-duales es de unos 25 años. Puede ser necesarioreformar una estación de bombeo mucho antes,por ejemplo si cambios del desarrollo urbanísticoimplican mayores necesidades de bombeo, omedidas urbanísticas requieren su eliminación oreubicación. La bomba puede también prontoquedar obsoleta por falta de repuestos. El periodoadecuado para unos cálculos económicos del ciclovital es por lo tanto de 8 – 10 años a partir de lapuesta en marcha.
7.3 Costes de inversión
Los fabricantes facilitan los precios de compra delas bombas, en base a consultas o negociaciones.El precio final puede también incluir otros costescomerciales y de adquisición, tal como el trans-porte. También deben tenerse en cuenta los efec-tos de especificaciones diferentes de las bombasen otros costes de adquisición. Por ejemplo, unmotor más potente requiere un variador de fre-cuencia o un fusible de red de más capacidad, loque añaden costes de inversión.
La figura 97 muestra el efecto proporcional deltamaño de bomba en el coste de bombas con unavelocidad nominal de 1500 r.p.m. Una bomba conuna velocidad nominal menor será normalmentemás cara que una bomba de la misma capacidadque funcione a más velocidad, debido al mayor
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Evaluación del coste del ciclo vital de la bomba 7
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tamaño. La figura muestra que para bombaspequeñas de menos de 10 kW, el precio de compraserá decisivo para los costes del ciclo vital.
7.4 Costes de energía
La necesidad de energía se calcula correctamenteutilizando el rendimiento ("gr), ya que el rendi-miento está sujeto a la garantía del fabricantesegún las normativas de pruebas, lo que no es elcaso respecto a la información de potencia. Esimportante que la normativa de pruebas que seutilizará esté acordada en esta fase, ya que dife-rentes normativas de pruebas tienen diferentestolerancias para el rendimiento de la bomba, loque puede influir en los valores de rendimientoinformados por el fabricante. Para más informa-ción, ver la sección 4, Pruebas de bombas.
7.4.1 Rendimiento a lo largo del tiempoA excepción de las bombas vortex, el rendimientode bombeo de las bombas de aguas residualesempeora con el tiempo, debido a que la holguraentre el impulsor y la tapa de aspiración se ensan-cha por el desgaste. Este cambio debe tenerse encuenta al calcular la utilización de energía. Los
siguientes factores de reducción del rendimiento,basados en pruebas y experiencias, pueden utili-zarse al realizar los cálculos:
Impulsor cerrado con holgura ajustable de laaspiración: -1,5% ("gr puntos)
Impulsor semiabierto con holgura ajustable delimpulsor: -3,0% ("gr puntos)Impulsor cerrado sin holgura ajustable:
-3,0% ("gr puntos)Impulsor semiabierto sin holgura ajustable delimpulsor: -5,0% ("gr puntos)
Los factores anteriores de reducción del rendi-miento indican que en la práctica las aguas resi-duales se bombean con bombas de rendimientonotablemente inferior que bombas nuevas. Losvalores altos para bombas sin posibilidad de ajus-te de la holgura están basados en el hecho de queestas bombas funcionan durante más tiempoentre recuperaciones de la holgura, ya que hayque cambiar piezas en un taller. El efecto es mayoren bombas con impulsores semiabiertos, ya queestas se desgastan más rápidamente y el rendi-miento es más sensible a cambios del espacio (verla sección 2.2.1 Impulsores).
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7 Evaluación del coste del ciclo vital de la bomba
Price/PN
200
100
010 50 100
PN (kW)5002
(%)
Efecto del tamaño de bomba en su precio de coste específico/PN, cuando su velocidad nominal es de 1500 r.p.m. enrelación a una bomba de 10 kW.
Fig. 97
Precio
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7.4.2 Cálculos de utilización de energíaLos cálculos pueden realizarse utilizando dosmétodos distintos:
Estimación, utilizando el volumen del aguabombeado al año, calculando primero la ener-gía específica mediante la siguiente ecuación:
dondeH = altura de la bomba en el punto de trabajo(m),
g = 9,81 [m/s2],
"gr = rendimiento total (bomba + motor) en elpunto de trabajo (valor decimal),
Se supone una densidad del líquido de 1000kg/m3.
Se calcula el consumo de energía utilizando laenergía específica y el volumen bombeado esti-mado al año.
Estimación basada en horas de funcionamien-to, calculando primero la potencia al rendi-miento garantizado, utilizando la siguienteecuación:
donde
Q = volumen del caudal de la bomba en elpunto de trabajo [l/s]
H= altura de la bomba en el punto de trabajo(m),
g = 9,81 [m/s2],
"gr= rendimiento total (bomba + motor) en elpunto de trabajo [valor decimal],
Se supone una densidad del líquido de 1000kg/m3.
Se calcula el consumo de energía utilizando lapotencia obtenida y las horas de funcionamien-to al año estimadas. Si la curva Q/H de labomba pasa por encima del punto de trabajo
deseado, el rendimiento de la bomba será supe-rior y por consiguiente menos horas de funcio-namiento. Esto debe tenerse en cuenta al utili-zar el método basado en las horas de funciona-miento de la bomba.
Los métodos de cálculo de energía son bastantesencillos cuando la bomba funciona en un solopunto de trabajo. La situación se complica conbombas que funcionan en paralelo y si la bombase utiliza con variador de frecuencia. Para funcio-namiento en paralelo los cálculos deben realizar-se por separado para los distintos puntos de tra-bajo y después aproximando los volúmenes bom-beados u horas de funcionamiento acumuladosen cada uno de ellos.
Una bomba con variador de frecuencia tiene unnúmero infinito de puntos de trabajo. Para reali-zar los cálculos en estos casos debe seleccionarseun punto de trabajo que represente el punto detrabajo medio. Otro factor de incertidumbre alcalcular el consumo de energía de bombas concontrol de frecuencia es la dificultad de determi-nar exactamente el rendimiento total del sistema.Para cálculos comparativos puede utilizarse elrendimiento de la bomba sin variador de frecuen-cia.
7.5 Costes de mantenimiento
Se recomienda normalmente realizar un manteni-miento rutinario anual de las bombas sumergi-bles. El mantenimiento incluye control del aceitedel cierre, control del aislamiento del motor conmedidor de resistencia, control y, si es necesario,ajuste de la holgura de la aspiración, así como ins-pección general de la parte exterior. La mayoría delos fabricantes recomienda rutinas muy similares.Las diferencias entre bombas de diferentes fabri-cantes son más obvias en las posibilidades demantener y recuperar su rendimiento.
Si la bomba lleva un mecanismo ajustable de laholgura de la aspiración, los costes de mantener elrendimiento de la bomba no aumentan los costes,ya que el ajuste puede hacerse durante el mante-nimiento rutinario normal in situ. Si de lo contra-rio hay que utilizar repuestos o llevar la bomba aun taller para mantener su rendimiento, los gas-tos ocasionados deberán tenerse en cuenta al cal-cular los costes del ciclo vital de la bomba.
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Evaluación del coste del ciclo vital de la bomba 7
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7.6 Cooperación con proveedoresde bombas
Los cálculos del coste del ciclo vital y las compara-ciones son raras veces completamente inequívo-cos, por lo que es razonable y justo realizarlosabiertamente y en cooperación con los proveedo-res, por lo menos al considerar una bomba deaquél proveedor. Así pueden evitarse posiblesmalentendidos y las sugerencias y alternativaspropuestas por el proveedor pueden tenerse encuenta para hacer la selección óptima.
7.7 Publicación del coste del ciclovital
Las asociaciones de fabricantes de bombasEuropump (Europa) e Hydraulic Institute(Instituto Hidráulico) ( EEUU) han publicado con-juntamente una guía para evaluar el coste delciclo vital de una bomba (LCC):PUMP LIFE CYCLE COSTSA GUIDE TO LCC ANÁLISIS(ISBM 1-880952-58-0)
Esta publicación trata sobre el sistema de bombeocompleto desde la fase de diseño, sistemas debombeo existentes y ejemplos de mejoras imple-mentadas.
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7 Evaluación del coste del ciclo vital de la bomba
8 Puesta en marcha
Durante la puesta en marcha de la bomba debeninspeccionarse los siguientes puntos:
Comprobar el (los) punto(s) de trabajo midien-do la presión y posiblemente el caudal, utilizan-do el método volumétrico para compararles conlos valores proyectados y confirmar que elpunto de trabajo real esté dentro de los límitespermitidos de la curva Q/H de la bomba. Puede llevar algún tiempo estabilizar la situa-ción real en tuberías de impulsión largas convarios puntos altos y bajos hasta el punto dedescarga. Por lo tanto las mediciones debenrepetirse algún tiempo después de la puesta enmarcha para confirmar el punto de trabajo.Comprobar si la bomba vibra o hace ruido alfuncionar. Comprobar si hay señales de cavita-ción.Comparar los niveles de arranque y parada conlos valores proyectados y ajustarlos, si es nece-sario. El nivel de parada más bajo posible debombas instaladas en seco debe encontrarsemediante pruebas, observando la aspiración deaire en la tubería de entrada.
Para bombas sumergibles en combinación congrandes volúmenes de caudal, comprobar losremolinos en la superficie a nivel bajo. Ajustar elnivel de parada donde sea necesario.
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Puesta en marcha 8
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9 Funcionamiento y servi-cio
Las bombas sumergibles de aguas residualesdeben someterse a inspección y mantenimientorutinarios cada año. El mantenimiento previstodebe realizarse in situ e incluye
Comprobación del aceite y cambio en casonecesario.Inspección y ajuste de la holgura de la aspira-ción (impulsor/voluta), si la holgura se haensanchado hasta 2 mm o más por el desgaste.Para bombas sin posibilidad de ajuste, la recu-peración del espacio de la aspiración y el fun-cionamiento de la bomba requiere la instala-ción de nuevas piezas.Medición de la resistencia del aislamiento delmotor en el panel de control.Comprobación de la cadena de elevación, asícomo cáncamos y asas.Inspección general de la bomba y control delfuncionamiento.
El manual de la bomba contiene informacióncompleta respecto al mantenimiento.
El propietario o una compañía de servicios contra-tada puede realizar el mantenimiento rutinario. Elcambio de impulsor debe poder realizarse in situdurante el mantenimiento, si fuera necesario. Elcambio de cierre y otros trabajos en la protecciónhermética del motor deben siempre encargarse aun taller oficial.
La disponibilidad de repuestos no es problemapara bombas sumergibles de un fabricante reco-nocido. Las series de fabricación de bombas sonlargas y se tienen piezas en stock, tanto para elmontaje de bombas nuevas como para repuestos.Normalmente no es necesario mantener un stockde repuestos.
9.1 Seguridad
Los factores de riesgo más importantes asociadoscon el funcionamiento de bombas de aguas resi-duales están relacionados con lo siguiente:
electricidadelevación y manejo de bombastemperaturas calientes de las superficies debombas instaladas en secomanejo de piezas de bomba durante el mante-nimiento y reparacionesincidentes de fuego y explosiones en entornospeligrososriesgos de salud por el contacto humano con lasaguas residuales.
Las siguientes normativas internacionales tratande cuestiones de bombas y seguridad de bombeo:
EN 809 (1998)Bombas y equipos de bombas para líquidos –requerimientos de seguridad generalesprEN 13386 (1999)Bombas para líquidos – bombas sumergibles yequipos de bombas – requerimientos de segu-ridad especiales (propuesta 2002)
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9 Funcionamiento y servicio
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10 Control y comprobacióndel estado de estaciones debombeo
Todas las estaciones de bombeo de aguas residua-les, tanto si funcionan individualmente como siforman parte de una red de alcantarillado convarias estaciones de bombeo, deben controlarsede forma fiable para que ofrezcan un funciona-miento seguro y eficiente. La tecnología modernade control electrónico ofrece posibilidades dediseñar y construir sistemas versátiles de control ycomprobación del estado con el fin de reducir loscostes de funcionamiento a largo plazo e incre-mentar la fiabilidad de funcionamiento.
Estaciones de bombeo de aguas residuales inse-guras suponen un riesgo, tanto ecológico comoeconómico, en forma de derrames de aguas resi-duales en los alrededores o sótanos de los edifi-cios. Por lo tanto, la seguridad es primordial en eldiseño de una unidad de control para una esta-ción de bombeo de aguas residuales.
Este capítulo describe los sensores, que son labase para un control seguro de la estación debombeo, diferentes métodos de control con enfo-que en la última tecnología de control y un siste-ma de control y comprobación a distancia a nivelde redes y sus posibilidades futuras, combinandoInternet y tecnología WAP.
10.1 Métodos de control local
El control local es siempre necesario in situ en laestación de bombeo para controlar el funciona-miento de las bombas. La unidad de control localpuede construirse a diferentes niveles técnicossegún las características de control necesarias, asícomo los costes.
10.1.1 Unidades de control manualEl control manual es el método de control mássencillo. Es simplemente un interruptor (normal-mente manual-off-auto) con los relés y disyunto-res necesarios para el arranque y parada de lasbombas. Normalmente nunca se utiliza el controlmanual como control principal de las bombas,sino como método de control de reserva, cuandolos controles normales están defectuosos y para
comprobar el funcionamiento de la bomba duran-te reparaciones y trabajos de mantenimiento dela misma. Debe siempre existir la posibilidad decontrol manual.
10.1.2 Unidades de control basadas enrelésSi no es necesario comprobar el estado de labomba, pueden utilizarse unidades de controlautomáticas basadas en relés para realizar contro-les locales. Los controles basados en relés son uni-dades sencillas con niveles de arranque y paradafijos o ajustables. Pueden incluir alternancia debombas múltiples, o esto puede realizarse conunidades adicionales de alternancia de bombas.
Si se utiliza medición continua del nivel, estoscontroles pueden tener niveles de arranque yparada de ajuste libre y pantalla de nivel local. Noobstante, en la mayoría de los casos los controlesbasados en relés utilizan interruptores de nivelpreajustados o de ajuste manual, tales como flo-tadores.
Las unidades de control basadas en relés son fáci-les de utilizar, así como seguras gracias a la senci-llez del diseño. Son adecuadas para estaciones debombeo pequeñas o secundarias, donde se nece-sita poca o ninguna flexibilidad de funcionamien-to.
10.1.3 Controladores lógicos programa-blesUnidades de control de bombas basadas en con-troladores lógicos programables (PLCs) ofrecengrandes posibilidades de regulación de las condi-ciones de la bomba, registro de datos y análisis,así como control flexible de la bomba. El diseñode una buena unidad de control basada en PLCs eslaborioso y requiere siempre conocimientos pro-fundos del funcionamiento y necesidades de unaestación de bombeo de aguas residuales, ademásde experiencia de programación. La selección deseñales de control y medición, el análisis de labomba y estación de bombeo, así como la elecciónde sensores para medición del nivel son algunosfactores que deben considerarse.
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Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
10.2 Sensores para control y com-probación del estado de la bomba
El control de bomba, que puede ser sencillo basa-do en relé o PLC versátil, requiere varios sensorespara recoger información del funcionamiento delas bombas, así como de toda la estación de bom-beo, ver la figura 88. Estos sensores proporcionaninformación del nivel de agua en la fosa húmeda,del consumo de corriente de la bomba, del estadodel cierre primario de la bomba, así como del ais-lamiento del bobinado del motor, etc.
10.2.1 Sensores del nivel de agua en fosashúmedasLa información básica que necesita cualquier sis-tema de control automatizado de bombas es elnivel del agua en la fosa húmeda de la estación debombeo. Hay formas múltiples de proporcionardicha información, ya que también hay diferentestipos de información disponibles. Dependiendodel sensor, el nivel actual del agua se indica comouna señal analógica continua o informaciónon/off, cuando el nivel del agua supera ciertasalturas, normalmente preajustadas.
La experiencia muestra que los sensores de pre-sión ofrecen la forma más segura y económica demedir de forma continua el nivel del agua en apli-caciones de aguas fecales. Especialmente un sen-sor presión piezorresistivo, encapsulado en aceroinoxidable o integrado en una construcción degoma cerrada llena de líquido, es excelente para
utilización en aguas residuales. Los sensores depresión dan una señal analógica continua de lacorriente (0 – 20 mA ó 4 – 20 mA) o de la tensión(0 – 45 mV) proporcional al nivel del agua.
La función de los sensores de presión es sensible ala sedimentación, pero esto puede evitarse insta-lando correctamente el sensor dentro de un tuboprotector, ver la figura 89.
Los dispositivos ultrasónicos son la elección únicasi los sensores de nivel no pueden estar en con-tacto con el líquido. Los sensores ultrasónicosmodernos incorporan funciones programablespara varias condiciones y gamas de funciona-miento. Son también bastante caros.
Los sensores ultrasónicos son normalmente exac-tos y seguros. Por otra parte, en aplicaciones deaguas residuales el vapor y la espuma en la super-ficie del líquido pueden ocasionar indicacioneserróneas del nivel o pérdida total de resonancias,lo que puede interrumpir el control del nivel.Pueden evitarse problemas debidos a dichassituaciones, instalando dispositivos de reserva
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10 Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo
Sensores múltiples proporcionan información exactaa la unidad de control y comprobación del estado dela bomba
Fig. 88
La instalación correcta del sensor de nivel es funda-mental. El sensor, totalmente cerrado, se cuelga en lafosa húmeda y su elemento piezorresistivo transmitela señal de nivel a la unidad de control. Se utiliza elsensor con unidades de control electrónico de bombasy ofrece una lectura continua del nivel.
Fig. 89
Unidad de control de bomba
Tubo protector
Extremo inferior del sensor saliendo del tubo
para las funciones más vitales, tales como un flo-tador para alarma de nivel alto.
Algunos sensores antiguos estaban basados ensensores capacitivos. Este tipo de sensor se insta-la también en la fosa húmeda y consta de unabolsa de goma o plástico que se conectada a unatubería vertical que contiene un líquido de refe-rencia. Se cuelga un cable en la tubería y se conec-ta al sensor de señal. El nivel del líquido de refe-rencia en la tubería sube y baja según el nivel delcontenido en la fosa húmeda. La capacitancia delelemento cable-tubería cambia igualmente y laseñal se transforma en el sensor en una señal ade-cuada para la unidad de control de la bomba.
Los dispositivos capacitivos son normalmenteseguros, pero están expuestos a fallos del funcio-namiento causados por la acumulación de sedi-mentos en la cámara en el fondo de la fosa húme-da. Su instalación es también más complicada yprecisa más mantenimiento que los sensores depresión.
Se han utilizado flotadores para control de nivelen aplicaciones de bombeo de aguas fecalesdurante muchos años. Proporcionan la forma mássencilla de control de nivel a niveles fijos, pero noofrecen ninguna posibilidad de control de nivel deforma continua. En instalaciones con muchos flo-tadores existe siempre el riesgo de que los cablesde control se enreden entre sí o con los cables dela bomba. Hoy día se utilizan flotadores, junto conuna unidad de control basada en relés, principal-mente en instalaciones pequeñas.
Por otra parte, debido a su sencillez y seguridad,los flotadores se utilizan, incluso hoy día, muchasveces como sistema de control de nivel de reservao emergencia también en unidades grandes, loque proporciona un funcionamiento de emergen-cia, si el equipo principal de medición del nivelfalla.
Una campana de nivel es otro dispositivo sencillode detección de nivel. Consta de un cono plásticoo metálico colocado al revés, con un tubo de aireentre el extremo superior del cono y el controla-dor. Cuando el nivel del agua llega al cono, el airedentro del cono y del tubo se comprime, ocasio-nando presión contra un interruptor en el contro-lador. Cuando la presión sube, el interruptor hacecontacto y la bomba arranca. Con este tipo de dis-
positivo la bomba se para normalmente despuésde un retardo preajustado.
10.2.2 Sensor de corrienteSe comprueba la corriente de entrada de la bombamediante un transformador de corriente, a travésdel cual pasa uno de los tres cables de fase de red.Cada bomba requiere un transformador decorriente para que la seguridad de la comproba-ción sea adecuada. Los transformadores decorriente proporcionan una señal analógica (0 –20 mA ó 4 – 20 mA) proporcional a la corriente deentrada de la bomba.
10.2.3 Medidor de kWhLas estaciones de bombeo que tienen un controla-dor electrónico moderno deben siempre llevar unmedidor de kWh, con una salida de impulsos delibre potencial. El medidor proporciona un núme-ro de impulsos determinado por cada kWh utiliza-do por la estación de bombeo, por lo que puedecomprobarse el consumo de energía.
10.2.4 Relé de fallo de fasesLas tres fases de red están conectadas al relé defallo de fases. Este dispositivo da una señal dealarma en el caso de pérdida de potencia o faseerrónea en la estación de bombeo.
10.2.5 Dispositivo de comprobación SARI 2GRUNDFOS SARI 2 es un dispositivo de comproba-ción combinado de la resistencia del aislamientodel motor y del contenido de agua en el aceite delcierre. Se mide la resistencia del aislamiento delmotor entre una de las fases de red y tierra, estan-do la bomba parada y desconectada del suminis-tro de red. Una baja resistencia del aislamientoindica humedad dentro del motor, lo que podríaquemar el motor y ocasionar costosos trabajos dereparación.
Si la bomba lleva un sensor del estado del aceiteGRUNDFOS OCT 1, SARI 2 comprueba también deforma continua el contenido de agua en la cáma-ra de aceite del cierre. A medida que el cierre deleje primario se desgasta y entra agua en la cáma-ra de aceite, la sonda OCT 1 indica el contenido deagua en el aceite del cierre. Esta información setransmite al SARI 2 que da una alarma.
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Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
10.2.6 Módulo de estado de alarma ASM 3Todas las bombas sumergibles GRUNDFOS llevanun interruptor de humedad interno, así comointerruptores de temperatura encapsulados encada bobinado del motor. Estos dispositivos deseguridad están conectados en serie y si uno deellos se dispara, el controlador para la bomba y dauna alarma de fallo del dispositivo de seguridad.Con el módulo ASM estas dos alarmas (de hume-dad o sobrecalentamiento) pueden separarsepara proporcionar información exacta de la alar-ma.
10.3 Unidades de control de bom-bas
Una unidad de control moderna y versátil de bom-bas está basada en microprocesadores y softwarede control. Es probablemente un PLC que incorpo-ra un software de aplicaciones para el control ycomprobación de las condiciones de las bombas.Las interfases del usuario con la unidad para acce-der a los parámetros de control necesarios, talescomo niveles de arranque y parada, pueden fácil-mente comprobarse y ajustarse. La unidad de con-trol completa consta de un controlador electróni-co y un equipo auxiliar, tal como sensor de nivel,transformadores de corriente y relés de tensión defases, etc., formando un paquete integrado. Lafigura 92 muestra una inteligente unidad de con-trol electrónico de bombas.
10.3.1 Características de controlEl parámetro principal a medir es el nivel del aguaen la fosa húmeda. Se utiliza siempre un indicadorde nivel continuo en este tipo de unidad de con-trol. Existen varios tipos de sensores, tales comoun transformador de presión sellado y dispositi-vos ultrasónicos.
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10 Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo
Dispositivo de comprobación GRUNDFOS SARI 2. SARI2 está montado en un rail DI en el panel de control. Seutiliza tanto para utilización como alarma indepen-diente como para conexión con un sistema de controlremoto.
Fig. 90
Unidad de control electrónico y comprobación de lascondiciones de las bombas GRUNDFOSPumpManager. La unidad controla todas las funcio-nes de la estación de bombeo con software en un sis-tema de circuitos PLC. Los parámetros de funciona-miento se ajustan mediante el teclado y la pantallaLCD de la unidad. Entrando códigos con el tecladopueden verse en la pantalla los datos de la estación debombeo, registrados y calculados por la unidad odesde un sistema de control remoto. Con un tecleomínimo, el operario tiene mediante un exploradoracceso a todos los datos importantes.
Fig. 92
Módulo de estado de alarma GRUNDFOS ASM 3.
Fig. 91
La secuencia de control de la bomba es normal-mente bastante sencilla. En una aplicación nor-mal para funcionamiento en servicio-standby, losniveles de funcionamiento preajustados son elnivel de parada, el nivel de arranque y el segundonivel de arranque. La bomba en servicio arrancacuando el agua en la fosa húmeda llega al nivel dearranque, y para cuando el agua haya sido bom-beada hasta el nivel de parada. La bomba en ser-vicio se alterna en cada ciclo con el fin de asegurarun reparto igual de la utilización y desgaste entrelas bombas. La bomba en standby arranca en elsegundo nivel de arranque cuando la afluencia decaudal es mayor que la capacidad de una bomba.Si más de una bomba en standby está instalada,éstas pueden arrancarse en el mismo nivel simul-táneamente o a intervalos ajustables, o en nivelesdiferentes.
Todas las bombas en funcionamiento paransimultáneamente cuando el nivel llega al nivel deparada o a intervalos ajustables. En algunas insta-laciones con muchas bombas, todas las bombaspueden tener niveles de arranque y parada dife-rentes. No obstante, esto significa que los cálculosde la regulación de las condiciones de las bombassean más complicados y menos seguras.
En algunos casos puede instalarse una bomba dedrenaje separada con características diferentespara manejar grandes caudales. Esta bomba noparticipa en la alternancia y debe estar controladapor una unidad separada, independientementede las demás bombas.
La medición del caudal es factible sin un caudalí-metro separado. Se realiza mediante el métodovolumétrico, donde se miden con toda premuralos cambios de nivel en una fosa húmeda dedimensiones conocidas. El software calcula tantolos caudales afluentes como los bombeados conla misma exactitud que un caudalímetro magné-tico. El método volumétrico es también la basepara medir la capacidad de la bomba, que se midede forma continua como una media de las diezúltimas acciones de bombeo.
En el caso de desbordamiento de una estación debombeo, debe poder estimarse exacta e inequívo-camente el volumen para que el operario puedagestionar las posibles reclamaciones de daños.Cuando se conoce la afluencia de caudal en elmomento del desbordamiento y su duración, el
software estima el volumen para el informe a lasautoridades.
La medición de la corriente del motor de bombaes necesaria para el control y la regulación de lascondiciones. La unidad se ajusta con límites ajus-tables de sobrecorriente y baja corriente para pro-teger el motor en situaciones anómalas. Si lacorriente de entrada sube por encima del límitesuperior de corriente, donde hay riesgo de que-mado del motor debido al posible fallo o atasco dela bomba, ésta parará automáticamente. Estoofrece, junto con relés térmicos encapsulados oprotecciones de motor electrónicas en el arranca-dor del motor, una protección de motor muysegura. Una corriente de entrada anormalmentebaja indica que la bomba no bombea de formanormal, lo que puede estar debido al desgaste delimpulsor o fallo de la bomba, o retención de gas.
Las horas de funcionamiento y el número dearranques de la bomba son información necesariapara programar su mantenimiento. Son tambiéninformación importante para verificar el diseñooperacional de la estación de bombeo y al deter-minar los niveles de arranque y parada correctosdurante la puesta en marcha.
Todas las características anteriores están disponi-bles en la unidad de control y comprobación delestado GRUNDFOS PumpManager y pueden verseen la pantalla de interfase. Esto permite un panelde control del motor sencillo sin amperímetros,contadores de horas y relés de alternancia indivi-duales, estando todas estas características incor-poradas en el PLC.
Al tener unidades de control que controlan com-pletamente las bombas mediante software resul-ta fácil introducir características especiales en elprograma. Por lo tanto se puede, por ejemplo,dejar que la estación bombee por debajo del nivelde parada para que la bomba aspire (funciona-miento en seco controlado) a intervalos determi-nados. La finalidad es evitar acumulación de lodosy formación de costras en la superficie de la fosahúmeda. De esta forma pueden evitarse posiblesbloqueos de la bomba, ahorrando costes de man-tenimiento no programado. La experiencia mues-tra también que es una forma eficiente de evitarproblemas de malos olores.
Otra posible característica operacional ventajosa
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Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
es dejar que el nivel de arranque de la bomba osci-le intencionalmente alrededor de su ajuste; lafinalidad es evitar que se formen bordes de lodosen la pared de la fosa húmeda en el nivel de arran-que.
La unidad de control de la bomba está tambiénprogramada para indicar todos los fallos de fun-cionamiento de la estación, tales como alarmasde nivel alto y bajo, fallo de la potencia de labomba y otras alarmas que están basadas enajustes de límites de los parámetros.
10.3.2 Características de la comprobacióndel estadoLa unidad de control de la bomba realiza una com-probación automática del estado de la bomba,basada en los parámetros registrados y analiza-dos. Cuando se comprueba la velocidad en que elnivel del agua en la fosa húmeda sube y bajadurante el ciclo de bombeo puede calcularse lacapacidad de bombeo de cada bomba. La unidadcompara después estos valores con los datos delfuncionamiento nominal de la bomba, almacena-dos en la memoria, y da una alarma si el funcio-namiento está fuera de los límites de toleranciaajustados.
El beneficio de este tipo de sistema está en sucapacidad de dar aviso inmediato de defectos quese están desarrollando lentamente y que al finalpueden ocasionar un fallo repentino e inesperadode la bomba y el consiguiente daño al medioambiente. Al analizar detenidamente el funciona-miento de la bomba, pueden también detectarseproblemas que se están desarrollando en lastuberías de impulsión. Otra ventaja de este tipode sistema es la comprobación del funcionamien-to desde el punto de vista económico, pudiendoprogramarse y llevarse a cabo acciones de mante-nimiento según la necesidad. Esto lleva al final aun mantenimiento preventivo e incluso predicti-vo, en vez de sólo la reparación de fallos.
10.3.3 Parámetros y señalesLa unidad de control de la bomba necesita variosparámetros para funcionar como se requiere.Éstos se introducen en la unidad, basados en lasdimensiones de la estación de bombeo actual ylas unidades, tomados de los planos o medidos insitu. Para el calibrado pueden utilizarse tanto lasdimensiones actuales como porcentajes de losvalores de referencia. Los valores a introducir son
normalmente varios niveles de funcionamiento,tales como niveles de arranque y parada de labomba, nivel de alarma bajo y alto, así como nive-les de desbordamiento, que todos corresponden aun nivel de agua determinado en la fosa húmeda.Otros parámetros que se necesitan normalmenteson las dimensiones de la fosa húmeda y los valo-res de régimen de la bomba para la corriente deentrada y capacidad, que están disponibles en lashojas de datos de la bomba.
Varias señales son necesarias para que el controlde la bomba funcione según lo previsto. Éstas sondigitales o analógicas. Las señales digitales sonseñales de entrada o de salida e indican una situa-ción ON u OFF. Las señales digitales de entradanecesarias son la indicación del funcionamiento ostandby de la bomba de los disyuntores, así comolas señales de contacto de libre potencial del reléde voltaje de fases y medidor de energía, si lo hay.Se necesitan las señales digitales de salida paraarrancar y parar las bombas.
Se utilizan señales analógicas de entrada de sen-sores adicionales para varias mediciones conti-nuas. Estas señales son, por ejemplo, medicionesde la temperatura del bobinado del motor de labomba y de los cojinetes, información del estadodel aceite en la cámara de cierres de la bomba,datos de un caudalímetro o variador de frecuenciaadicional, etc. Para utilizar estas señales puedennecesitarse una tarjeta complementaria y unaversión especial del software.
10.3.4 Registro y análisis de datosEl control de la bomba debe tener suficientememoria para registrar y analizar datos duranteun periodo de tiempo determinado. La unidaddebe registrar por lo menos las horas transcurri-das, el número de arranques de las bombas e inci-dencias de corriente irregular del motor. Debeanalizar y calcular el caudal, la capacidad de labomba y desbordamiento mediante los datosregistrados. Los datos registrados pueden recoger-se y analizarse más a fondo, descargando losdatos a intervalos a un ordenador portátil consoftware adecuado, o continuamente por un sis-tema de control remoto automático.
Incluso si la unidad de control de la bomba fun-ciona como terminal de un sistema de control ycomprobación a nivel de red, debe tener suficien-te memoria para almacenar los datos registrados
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10 Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo
y analizados durante varios días. Esto se debe aque los datos vitales no deben perderse ni siquie-ra durante posibles cortes de comunicación entrela terminal y el centro de control.
10.3.5 Interfase del usuarioPara acceder a los datos e introducir parámetros,el operario necesita tener interfase a la unidad decontrol de la bomba. Debe ser por lo menos unapequeña pantalla LCD y un teclado. El usuariopodrá con el teclado introducir todos los paráme-tros necesarios y visualizar los datos registrados ycalculados. La utilización de la interfase tiene queser sencilla y lógica.
Algunas características de ayuda, tal como unexplorador automático, facilita y agiliza normal-mente la comprobación rutinaria de los datos. Seutilizan luces de señal LED separadas para indicarlas alarmas y el estado de funcionamiento de labomba.
10.4 Sistema de control y compro-bación a distancia
Las estaciones de bombeo de aguas residualesestán diseñadas para incorporar capacidad adicio-nal en el caso de una afluencia demasiado grande
o fallo de la bomba. No obstante, este volumen dereserva no evita el desbordamiento si el fallo pasadesapercibido durante mucho tiempo. Las visitasde mantenimiento programadas no pueden solasevitar todos los imprevistos posibles en estacio-nes de bombeo; por eso se han desarrollado siste-mas para el control y comprobación del estado adistancia, así como para la transmisión de alar-mas.
Las alarmas visibles y audibles, colocadas fuera dela estación de bombeo, que se utilizaban añosatrás se han transformado en sistemas de controlremoto sofisticados y descentralizados. Estos sis-temas constan de unidades de control basadas enPLC, que controlan y comprueban los procesoslocales en las estaciones de bombeo. Estas unida-des de control funcionan también como termina-les telemétricas y están conectadas a distancia aun ordenador central donde un sistema de tele-gestión centralizado para redes se encarga de con-trolar la operatividad del sistema.
10.4.1 Diferentes niveles de control remo-toLas unidades de control modernas de bombaspermiten que el sistema de control y comproba-ción del estado a distancia se diseñe según lascaracterísticas exigidas por el cliente, si compara-
95
Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
Fig. 93
La solución GRUNDFOS para la gestión a distancia a nivel de red. Las unidades de control locales en las estaciones debombeo se conectan al centro de control mediante un teléfono normal (PSTN), radio, modem GSM o cualquier combi-nación de ellos. También puede utilizarse líneas fijas (arrendadas) de comunicación, pero están quedando en desuso.
CENTRO DE
CONTROL
TÉCNICO D
E
SERVICIO
TERMINALES
SOFTWARE DEL SISTEMA DE GESTIÓN GRUNDFOS
RED TELEFÓNICA
(PSTN)
RED GSM
RED DEMODEM DE
RADIO
TANQUE DEAGUA
AFLUENCIA DEAGUAESTACIÓN DE
AUMENTO DEPRESIÓN
GRUNDFOSPUMPMANAGER
2000
GRUNDFOSPUMPMANAGER
2000
ESTACIÓNDE BOMBEODE AGUAS
RESIDUALES
ALARMAS COMOMENSAJESMS
CONEXIÓN MODEM ALCENTRO DE CONTROL
mos con los fondos de inversión disponibles.Si se prefiere una transferencia automática dealarma muy sencilla, el control puede equiparsede un modem GSM, mediante el cual las alarmasgeneradas por la unidad de control serán transmi-tidas al teléfono GSM del técnico de servicio comoun mensaje SMS.
Este tipo de sistema ofrece una seguridad opera-cional muy incrementada con unos modestos cos-tes de inversión, ya que no existe ningún centrode control. Por otra parte, la unidad de controlpuede utilizar todo el mensaje SMS al añadir lainformación más importante registrada y analiza-da al mensaje de alarma. Esta información puedeser las horas de funcionamiento de la bomba, elnúmero de arranques, el consumo de energía, laafluencia a la estación de bombeo y las capacida-des de las bombas. En este caso un sistema creainformes automáticos y los transmite cada sema-na al técnico que está de servicio, incluso cuandono se han producido alarmas, y pueden evitarseen gran medida las habituales salidas en coche alas estaciones de bombeo.
Si se implanta un sistema de control y comproba-ción a distancia a nivel de red existen varias for-mas de establecer la comunicación entre las ter-minales y el centro de control, tal como se descri-be en las siguientes secciones.
10.4.2 Software y hardwareEl centro de control consta de un PC normal, unaimpresora para imprimir los informes y el softwa-re de gestión diseñado para este fin. La interfasedel usuario del software debe estar controladocon ratón y tener menús para una utilización fle-xible y fácil. Dependiendo de la configuración delsistema, teóricamente puede controlarse y com-probarse un número ilimitado de unidades decontrol de bombas por una sola estación de con-trol. El número está prácticamente limitado aunas 200 terminales a la hora necesaria de recogi-da de los datos de observación de las terminalesdurante la noche.
La estación de control central realiza el control ycomprobación a distancia, pudiendo verse encualquier momento las condiciones de las estacio-nes de bombeo en tiempo real. Esta característicasuple en gran medida las visitas in situ de los ope-rarios. Las bombas pueden arrancarse y pararse;pueden cambiarse los niveles y otros parámetros,
etc. El sistema recoge diariamente todas lasobservaciones de la estación de bombeo y guardala información en las bases de datos, de las cuales,si así se desea, pueden comprobarse los datos debomba y caudal de hace muchos años atrás paramás análisis. El software genera también infor-mes numéricos y gráficos de caudales, datos debombas, alarmas y otros parámetros. La figura 93muestra un arreglo de control remoto.
10.4.3 Transmisión de datosAunque las unidades de control de las bombasfuncionan completamente independientes, latransmisión de datos es fundamental para que elsistema de control remoto funcione. El tiemponecesario para la transmisión de datos puedereducirse, si el control de la bomba realiza todoslos análisis de los datos localmente y guarda losresultados en su memoria. Sólo hace falta transfe-rir los datos calculados al centro de control, en vezde todos los datos registrados. De este modo lasunidades de control de la bomba pueden tambiénfuncionar independientemente, sin tener queestar conectadas constantemente al centro decontrol.
Los resultados pueden también guardarse en laterminal durante algún tiempo, normalmenteuna semana, antes de su envío automático comoun paquete. Es una característica importante sihay cortes indefinidos de las líneas de comunica-ción.
La transmisión de datos se configura siempresegún las necesidades individuales. La comunica-ción debe ser flexible y normalmente pueden uti-lizarse la red telefónica pública, modems de radio,modems GMS o cualquier combinación de ellos.También pueden utilizarse líneas fijas, pero últi-mamente son poco comunes debido al aumentode las mensualidades y una dudosa seguridad. Senecesita un modem a ambos extremos de la líneade comunicación para modular los datos para sutransmisión. La elección entre diferentes métodosde transmisión debe hacerla el cliente, teniendoen cuenta los costes de la obra, los costes de trans-misión de datos y las características que cadamétodo requiere y ofrece.
En general se utilizan los modems de radio y laslíneas fijas para distancias cortas y siempre cuan-do se necesite una comunicación continua, talcomo con bucles de control entre un tanque de
96
10 Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo
agua limpia y una estación de toma de agua. Si laestación de bombeo y la estación de control cen-tral están conectadas a través de la red telefónicapública, la distancia entre ellas puede ser prácti-camente ilimitada. La red telefónica pública per-mite también autorizar el acceso por motivosespeciales a una estación de bombeo a terceros,tales como proveedores de equipos y compañíasde servicios.
La moderna tecnología de telecomunicacionesGSM ofrece una solución atractiva de control ycomprobación a distancia para terminales lejanascon largas distancias. GMS ofrece a menudo lamejor alternativa para instalaciones reformadas,ya que la instalación posterior de la línea de acce-so de PSTN es cara y la disponibilidad puede estarlimitada. La tendencia muestra claramente quelas conexiones vía modem GSM seguirán ganan-do terreno en el futuro.
10.4.4 Transferencia de alarmaLas alarmas producidas en una subestación sontransferidas al centro de control, donde todas lasalarmas que entran son guardadas en la base dedatos. El software de gestión en el ordenador delcentro de control incluye una categorización auto-mática de alarmas, así como un calendario de tra-bajo del personal técnico de servicio y de acuerdocon este calendario la alarma se transfiere a lapersona correcta y a la hora correcta (si la alarmaestá categorizada para ser transferida). El ordena-dor del centro de controla lleva también a vecesuna impresora de alarmas, que imprime todas lasalarmas para su posterior análisis.
Las alarmas se transfieren normalmente al teléfo-no GSM del técnico en servicio como un mensajeSMS (texto). El mensaje puede incluir, además deltexto de la alarma y el nombre de la estación,información más detallada del estado de labomba (funcionamiento/parada/fallo), afluenciaa la estación, volumen bombeado durante el día,otras alarmas activas (con indicación de no sertransferidas), etc.
Otra forma de transferir las alarmas es por com-paginador. El ordenador del centro de control creael texto de informe de las alarmas, contacta con eloperador del compaginador y envía el mensajepara que se visualice en el compaginador. El men-saje contiene típicamente información codificadade la identidad de la estación y tipo de alarma
emitida.
Si es necesario, el centro de control puede tam-bién transferir las alarmas con mensaje de voz. Untexto que corresponde a la alarma y que está gra-bada oralmente en el disco duro del ordenador esrecuperado por el software y utilizado para sutransmisión por teléfono al operario. El centro decontrol puede programarse para llamar a diferen-tes números, hasta que la alarma es aceptada porun operario.
10.4.5 Integración de sistemasSi se prefiere un control combinado, un sistema decontrol y comprobación de bombeo de aguas resi-duales puede integrarse en otro sistema de con-trol, tal como un sistema de control de plantas detratamiento, o un sistema de control integrado decompañías de agua.
La integración no significa que todos los sistemastengan el mismo ordenador y el mismo software.Resulta normalmente útil elegir el mejor sistemapara cada aplicación y combinarlos en un niveladecuado. Esto podría, por ejemplo, significar unsoftware común para la transferencia e informede alarmas. Para que la integración sea posible,los sistemas deben diseñarse utilizando procedi-mientos estándar, tales como sistemas operativosbasados en PC, transmisión estándar de datos yprotocolos de entrada y salida de señales.
10.5 Control y comprobación a dis-tancia, basados en Internet y WAP
Los mensajes de alarma transferidos a los técnicoscomo mensajes SMS son solamente informaciónen un sentido. Si el técnico cuando está en elcampo tuviera la posibilidad de controlar el siste-ma y cambiar algunos parámetros vitales desdesu móvil, se podría conseguir una flexibilidadtotal mediante un centro de control móvil.
Las últimas mejoras de las técnicas de control ycomprobación a distancia incluyen Internet y tec-nología WAP para vencer las limitaciones de lossistemas de control tradicionales descritos ante-riormente. Los sistemas de control y comproba-ción por Internet/WAP permiten también ofrecerel control remoto como un servicio a las munici-palidades. La figura 94 muestra un control remotobasado en Internet o WAP.
97
Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
El sistema de control y comprobación por Internetpermite la visualización e información de datoshistóricos de las terminales de muchos sitios, porlo que la información puede utilizarse donde senecesite. Después de introducir su identificaciónde usuario, los operarios, personal en servicio,decisores, ingenieros del sistema de aguas resi-duales, etc. pueden buscar datos históricos deta-llados de las terminales de muchos años atrás, porejemplo de sus propios ordenadores. La figura 95muestra la página de interfase del servicio de con-trol basado en GRUNDFOS Web.
98
10 Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo
El modelo GRUNDFOS para el sistema de control y comprobación basado en Internet/WAP ofrece un centro de controlcompletamente móvil desde el teléfono móvil WAP. El sistema utiliza además Internet para guardar datos y los clientespueden comprobar las terminales y crear informes desde cualquier ordenador con acceso a Internet. El sistema permi-te también ofrecer todo el control y comprobación a distancia como un servicio contratado.
Fig. 94
CONEXIÓN WAP A LA TERMINAL
CONEXIÓN WAP A LA TERMINAL
CONEXIÓN WAP A LA TERMINAL
BUSCADORINTERNET
BUSCADORINTERNET
BUSCADORINTERNET
TERMINALESTANQUE DE AGUA
ESTACIÓN DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES
TOMA DE AGUAESTACIÓN DE AUMENTO DE PRESIÓN
TERMINALESTANQUE DE AGUA
ESTACIÓN DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES
TOMA DE AGUAESTACIÓN DE AUMENTO DE PRESIÓN
TERMINALESTANQUE DE AGUA
ESTACIÓN DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES
TOMA DE AGUA
ESTACIÓN DE AUMENTO DE PRESIÓN
CLIENTE A
CLIENTE B
INTERFASE WAP
INTERNET
SOFTWARE DEL SISTEMA GRUNDFOSMANAGER
CLIENTE C
SE
RVIDOR INTERNET
99
Control y comprobación del estado de estaciones de bombeo 10
Los clientes pueden buscar en Internet el historial de sus propias terminales, independientemente de la ubicación. Lainformación puede también fácilmente compartirse dentro de la organización – operarios, técnicos, decisores, así comoproyectistas e ingenieros del sistema de aguas residuales.
Fig. 95
Símbolos
A áreaAW área de superficie de fosa húmeda
a velocidad onda de presiónD diámetro interior de tuberíaFa fuerza axial
Fr fuerza radialfH factor de incertidumbre de medición de
la alturafmáx frecuencia máximafmín frecuencia mínimafN frecuencia nominalfQ factor de incertidumbre de medición de
caudalg aceleración por gravedad, 9,81 m/s2
H altura total de bomba (altura)H0 altura a caudal cero
Hd altura dinámica
Hf pérdidas de carga por fricción
HG altura garantizada
Hgeod altura geodésicaHj pérdida de carga en la tuberíaHjn pérdida de carga localHJp pérdida de carga en tubería de impulsión
HJt pérdida de carga en tubería de aspiración
Hmáx altura máx. permitida
Hmín altura mín. permitida
Hr pérdida de carga
Hrt pérdida de carga en la tubería de aspiración
Hs pérdida por discontinuidad
Hst altura estática
Ht altura teórica
Ht altura idónea
Hv pérdidas de carga por fugas
h alturahA diferencia de altura entre plano de
referencia y punta del borde delantero del álabe
hs nivel de parada de bombaht altura geodésica de entrada
I corriente eléctricaIl corriente de línea
Iph corriente de fase
k coeficienteL longitud
l longitudMB masa concreta, Kg.
MH incertidumbre de medición de alturaMQ incertidumbre de medición de caudalm masaNPSH altura de aspiración positiva netan velocidad rotacionalnN velocidad rotacional nominal
P potencia de entrada bombaPgr potencia de entrada motor
p presiónpb presión ambiente en el nivel del líquido
pL presión atmosférica en fosa de bomba
pm contenido de arena en peso
pmin presión estática mínima bomba
pU presión atmosférica fosa receptora
Pv tensión de vapor de líquido, contenido de
arena en volumenQ volumen de caudalQ0 volumen de caudal a altura cero
Ql volumen de caudal, una bomba
Qll volumen de caudal, dos bombas
Qin caudal entrante
QN caudal nominal de bomba
q volumen de caudalRe número de ReynoldS inclinación curvaT duración ciclot tiempo de funcionamiento bombatH factor de tolerancia de altura
tQ factor de tolerancia de caudal
Ul tensión de línea
Uph tensión de fase
u velocidad perimetralV volumenVG volumen de estación de bombeo por
debajo del nivel freático, m3
VH volumen efectivo fosa húmeda
Vh volumen efectivo fosa húmeda
v velocidad real líquidoV2 velocidad caudal en salida bomba
vm componente radial de velocidad real
vu componente tangencial de velocidad real
w velocidad relativa al álabeXH factor de tolerancia de altura
XQ factor de tolerancia de caudal
100
Símbolos
8
Z frecuencia de arranquesZ1.2 altura del manómetro por encima del
nivel de aguaZlmáx frecuencia máx. de arranques de bomba
Zllmáx frecuencia máx. de arranques de bomba
Zmáx frecuencia máx. de arranques de bomba
# ángulo del borde de álabe$h bajada presión local en borde delantero
de álabe$h cambio de presión (altura)$HL desviación inferior permitida de altura
$HT desviación permitida de altura$HU desviación superior permitida de altura
$QL desviación inferior permitida de caudal
$QT desviación permitida de caudal$QU desviación superior permitida de caudal
$v cambio de velocidad de caudal' factor de resistencia local" rendimiento de bomba"gr rendimiento total
"h rendimiento hidráulico
"mot rendimiento de motor
& factor de fricciónµ duración ciclo de reflexión% viscosidad cinemática! densidad líquido
101
Símbolos
Nomograma para pérdidas en tuberías, agua limpia a 20ºC
Q = Caudal, l/sD = Diámetro interior de la tubería, mmk = Rugosidad superficial, mmHJ= Pérdidas en la tubería, m/100 m
Q = 12 l/sD = 100 mmk = 0,01 mmHJ= 2,5m / 100 m
Ejemplo
Valores orientativos de rugosidad superficial (k) para tuberías
plásticoacero estiradoacero soldado
acero inoxidable estiradoacero inoxidable soldado
fundición acero galvanizado
fundición bituminadahormigón
amianto-cemento
0,010,050,1
0,050,1
0,250,150,12
0,3...2,00,025
Tubería nuevak (mm)
0,251,01,0
0,250,251,0
Tubería viejak (mm)
Material de la Tubería
Nomograma parapérdidas de carga encodos, válvulas etc.
Q = Caudal, l/sD = Diámetro interior de la tubería, mmv = Velocidad del caudal, m/s! = Coeficiente de pérdidaHJ= Pérdidas de carga, m
Valores orientativos para pérdidas de carga en codos, válvulas, etc.
EjemploQ = 12 l/sD = 100 mmv = 1,55 m/s"!= 5HJ= 0,6m
Codo de tubería de 90º, R/D = 1,5 0,3Pérdida en la descarga 1,0(tubería sin dilatación)Válvula de retención de clapeta 1...2Válvula de retención de bola 0,7...1,2Válvula de compuerta 0,2
Unión en T Unión en Y
!
Factores de resistencialocal
Ramales
103
Apéndice A
Qh vh
Qs
vs v
Q
Qh vh
Qs
vsv
Q
Separación de caudalesQh/Q )= 90º )= 45º
'h0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
's 'h 's0,95
0,88
0,89
0,95
1,10
1,28
0,04
-0,08
-0,05
0,07
0,21
0,35
0,90
0,68
0,50
0,38
0,35
0,48
0,04
-0,06
-0,04
0,07
0,20
0,33
Unión de caudalesQh/Q )= 90º )= 45º
'h0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
's 'h 's-1,00
-0,40
0,08
0,47
0,72
0,91
0,04
0,17
0,30
0,41
0,51
0,60
-0,90
-0,38
0,00
0,22
0,37
0,37
0,04
0,17
0,19
0,09
-0,17
-0,54
104
Apéndice A
Qhvh
Qsvs v
Q
45
Qhvh
Qsvs v
Q
45
Unión de caudalesQh/Q
'h0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
's-0,82
-0,30
0,17
0,60
1,04
1,38
0,06
0,24
0,41
0,56
0,80
1,13
Separación decaudalesQh/Q
'h0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
's0,92
0,97
1,12
1,31
1,50
0,06
-0,06
0,00
0,09
0,20
0,30
Codos
105
Apéndice A
D
R
D
D
R
D
D
R
90
R/D = 1,5; ' = 0,4 R/D = 1,5; ' = 0,7
R/D
'
R/D
'
1
0,36
8
0,27
2
0,19
10
0,32
3
0,16
12
0,35
4
0,15
16
0,39
6
0,21
20
0,41
106
Apéndice A
D
R
)
'
)
'
20º
0,03
90º
1,00
40º
0,12
120º
1,86
50º
0,24
140º
2,43
70º
0,54
180º
3,00
80º
0,74
'
) R/D
120º
40º
60º
80º
90º
120º
140º
160º
180º
2 40,07
0,13
0,20
0,27
0,32
0,39
0,46
0,52
0,60
0,03
0,06
0,10
0,13
0,15
0,19
0,23
0,26
0,30
0,03
0,06
0,09
0,12
0,13
0,17
0,20
0,23
0,26
Ampliaciones y reducciones
107
Apéndice A
v1 v2
v1
A1
A2
v2
#º
5
10
15
20
30
40
k
0,13
0,17
0,26
0,41
0,71
0,90
#º
45
50
60
70
80
90
k
0,93
1,05
1,12
1,13
1,10
1,07
#º
100
120
140
160
k
1,06
1,05
1,04
1,02
HJn =
HJn ( 0
(V1_ V2)2
2g
Resistencia por fricción no incluida
108
Apéndice A
A1
A2
v2v1
v2v1<<v2
v2v1<<v2
A2/A1
'2
A2/A1
'2
0
0,50
0,5
0,24
0,1
0,46
0,6
0,18
0,2
0,41
0,7
0,12
0,3
0,36
0,8
0,06
0,4
0,30
0,9
0,02
HJn = 0,5V
2g
22
HJn = 'V2g
22
HJn = 0,5V
2g
21
Combinaciones de codos Entradas de aspiración
109
Apéndice A
' = 2 x '90º
' = 3 x '90º
' = 3,0
' = 0,2
' = 0,05' = 4 x '90º
Válvulas
110
Apéndice A
Los valores ' dependen mucho de la forma. Deben usarse valores de fábrica cuando están disponibles.
Los anteriores valores ' son válidos para válvulas totalmente abiertas. En posición parcialmente abierta, 'puede ser 1,5 – 2 veces mayor. Dependiendo de la forma y la posición se necesita cierta velocidad mínima delcaudal a través de la válvula para que se considere totalmente abierta. El fabricante o proveedor dispone deinformación exacta de cada válvula.
Válvulas de compuerta sin estrechamiento: ' = 0,1...0,3Válvulas de compuerta con estrechamiento: ' = 0,3...1,2
Válvulas de retención de bola ' ( 1,0 (totalmente abiertas)
Válvulas de retención de mariposa ' ( 1,0 (totalmente abiertas)
Frecuencia de arranques ycapacidad de bombeo de laestación de bombeo
El volumen de agua de una estación de bombeoconsta del volumen por debajo del nivel de paradamás bajo de la bomba y el volumen bombeablepor encima de este nivel, y varía con el bombeo yla afluencia de caudal. La frecuencia de arranquesde las bombas depende del volumen bombeable yla afluencia de caudal.
Estudiamos los siguientes casos diferentes:estación de bombeo con una bombaestación de bombeo con dos bombas de funcio-namiento en servicio-standbyestación de bombeo con más de dos bombas.
Estación con una bombaLa afluencia de agua durante una unidad de tiem-po (ciclo) puede expresarse como:
donde
Qin = afluencia de caudal
T = duración del ciclo
La bomba debe eliminar el mismo volumendurante el ciclo, por lo tanto
X
dondeQ = capacidad de la bombat = tiempo de funcionamiento de la bomba
Al combinar las ecuaciones B1 y B2 se obtiene
X
Al parar la bomba, el volumen entre los niveles dearranque y parada Vh se llena durante el tiempo T
– t, por lo que
X
Al sustituir con la expresión B3 de t en la ecuaciónB4:
X
Al solucionar la ecuación B5 de T se obtiene:
X
La frecuencia de arranques es el valor invertido deT:
X
La frecuencia de arranques Z es una función delratio Qin/Q y está indicada en la figura B1.
Al diferenciar la ecuación B7 sobre Qin se obtiene:
X
La ecuación B8 es igual a 0 cuando Win = 1/2Q
Al sustituir Qin = 1/2Q a ecuación B7:
X
111
Apéndice B
··
·
Zmax
Qin/Q
Z [%]
Curva de frecuencia de arranques Z para una estaciónde bombeo con una bomba en función del ratio entrela afluencia de caudal Qin y la capacidad de la bombaQ.
Fig. B1
Se obtiene la capacidad Vh de la estación de bom-
beo:
La figura B2 muestra en forma gráfica la solucióna la ecuación B10.
En la práctica puede haber situaciones cuando laafluencia de caudal a una estación de bombeo esmuy pequeña y sólo instantánea, por ejemplo enestaciones de bombeo para pocos hogares. Endichos casos debe seleccionarse una capacidad debomba mucho mayor con el fin de conseguir unavelocidad de caudal lo suficientemente alta en latubería de impulsión como para evitar sedimenta-ción. En esta situación el ratio Qin/Q sigue peque-ño, y no se alcanza el valor Zmáx, o sólo rara vez.
112
Apéndice B
1000
100
10
Vh [m3]
2 10 100 1000Q [l/s]
0,12000
1
Q = Pump capacity, l/s
Vh = Effective wet well volume, m3
Zmax = Maximum starting frequency, 1/h
Diagrama para determinar el volumen efectivo Vh dela fosa húmeda para una estación de bombeo conuna bomba.
Fig. B2
Q = Capacidad de la bomba, l/sZmáx = Frecuencia máxima de arranques, l/hVh = Volumen efectivo de la fosa húmeda, m3
Start level 2
Start level 1
Stop level
Qin
Ql or Qll
Hh
A B
Estación de bombeo con dos bombas funcionando enalternancia. La bomba principal arranca cuando elnivel del agua sube al nivel de arranque 1. Si la afluen-cia de caudal supera la capacidad de una bomba, labomba secundaria arrancará en el nivel de arranque2. Las bombas alternan como bomba principal ysecundaria durante cada ciclo de funcionamiento.
Fig. B3
A AB
t
t
T
t Qin /Ql < 1
AB t
Tt1 Qin /Ql > 1
BA
t2
Diagrama del tiempo de funcionamiento de las bom-bas de servicio y standby en una estación de bombeopara una afluencia de caudal (Qin) tanto menorcomo mayor que la capacidad de una bomba (QI).
Fig. B4
Nivel de arranque 2
Nivel de arranque 1
Nivel de parada
QI o QII
Dos bombas configuradas para funciona-miento en servicio-standbyLa figura B3 muestra el principio de funciona-miento de una estación de bombeo con dos bom-bas idénticas. Las bombas asumen alternativa-mente la función de bomba en servicio (principal)y en standby (secundaria) con cada ciclo de fun-cionamiento. La bomba en servicio se pone enmarcha cuando el nivel de agua en la fosa húme-da alcanza el primer nivel de arranque. Las bom-bas paran cuando el nivel de agua llega al nivel deparada, permitiendo que el nivel de agua suba denuevo hasta el primer nivel de arranque, comple-tando el ciclo.
La bomba en servicio puede sola manejar lassituaciones más normales de afluencias de caudal(Qin) y la bomba en standby sólo arrancará si laafluencia de caudal es mayor que la capacidad deuna bomba (QI), en cuyo caso el nivel de aguasigue subiendo hasta el segundo nivel de arran-que, poniéndose en marcha la bomba en standby.Si la capacidad combinada de las dos bombas (QII)es mayor que la afluencia de caudal, ambas bom-bas paran cuando el agua llega al nivel de parada.
La figura B4 muestra un diagrama de tiempo delciclo de funcionamiento de dos bombas que fun-cionan en alternancia, con más detalles del princi-pio.
113
Apéndice B
Qin = Incoming flow rate, l/s
Qin/Ql <1 Qin/Ql >1
Ql (l/s)
Ql
Vh
(m3)
Qll
VH = Effective wet well volume to starting level 2, m3Vh = Effective wet well volume to start level 1, m3Zlmax = Maximum pump starting frequency for Qin>Ql, 1/hZlmax = Maximum pump starting frequency for Qin<Ql, 1/hQll = Pumping capacity two pumps when Qin/Ql >1, l/sQl = Pumping capacity when Qin/Ql <1, l/s
Nomograma para determinación del volumen efectivo Vh de la fosa húmeda y la frecuencia de arranques Z para una
estación de bombeo con dos bombas configuradas para funcionamiento en servicio-standby.
Fig. B5
Qin = Afluencia de caudal, l/sQI = Capacidad de bombeo cuando Qin/QI<1,l/sQII = Capacidad de bombeo de dos bombas cuando Qin/QI>1,l/sZImax = Frecuencia de arranques máx. de la bomba para Qin<QI,1/hZImax = Frecuencia de arranques máx. de la bomba para Qin>QI,1/hVh = Volumen efectivo de la fosa húmeda hasta el nivel de arranque 1, m3
VH = Volumen efectivo de la fosa húmeda hasta el nivel de arranque 2, m3
Qin < Ql
Las ecuaciones B9 y B10 pueden utilizarse paracalcular la frecuencia de arranques de cadabomba, cuando la afluencia de caudal es menorque la capacidad de una bomba. Con dos bombasque arrancan alternativamente, se dividen lasexpresiones en dos, por lo tanto
La figura B5 muestra gráficamente la solución alas ecuaciones B11 y B12.
Qin > Ql
Si la afluencia de caudal es mayor que la capaci-dad de una bomba, deben considerarse dos facto-res adicionales. Son el ratio de la capacidad de laestación de bombeo hasta el primer nivel dearranque, Vh, y el segundo nivel de arranque, VH,así como la capacidad combinada de las bombasQII. La siguiente ecuación para la frecuencia dearranques puede entonces desarrollarse:
La expresión para ZIImax puede solucionarsemediante diferenciación, pero la expresión esmuy compleja. La figura B5 muestra una presenta-ción gráfica de la solución.
La figura B6 muestra la relación entre la frecuen-cia de arranques y el ratio Qin/QI. La frecuencia dearranques sube bruscamente cuando las condicio-nes requieren funcionamiento en paralelo. El dia-grama muestra un valor ZIImax pronunciado.
El diagrama de la figura B7 muestra el efecto delratio Vh/VH sobre Z para VH constante y Vh varia-ble. En este caso el ratio QII/QI es 1,6. De la figuraB7 se deduce que ZIImax disminuye y Zlmax aumen-ta cuando el nivel de arranque 1 es más bajo.
El diagrama de la figura B8 muestra el efecto delratio QII/QI sobre Z para un ratio Vh/VH constantede 0,8. Al aumentar las pérdidas en la tubería deimpulsión y disminuir QII/QI, ZIImax disminuyetambién.
ZIImax pierde importancia si se seleccionan lasbombas de modo que una bomba puede manejartodas las afluencias de caudal.
Estaciones de bombeo con más de dosbombas Estaciones de bombeo con muchas bombas pue-den dividirse en las dos siguientes categorías dediseño:
Estaciones con nivel de parada común paratodas las bombasEstaciones con niveles de parada diferentes oescalonados para cada bomba
El ciclo de arranque de las bombas se alterna nor-malmente entre las bombas para conseguir unreparto uniforme del desgaste.
114
Apéndice B
Qin/Ql < 1 Qin/Ql > 1
Qin/QlQll
Zllmax
Zlmax
Z
Fig. B6
Curva de frecuencia de arranques Z de una bomba ydos bombas en una estación de bombeo con dos bom-bas configuradas para funcionamiento en servicio-standby en función del ratio entre la afluencia de cau-dal Qin y la capacidad de la bomba QI.
·
·
Capacidades y frecuencias de arranquesde estaciones de bombeoCuando varias bombas están instaladas en unaestación de bombeo, la frecuencia de arranquescambia drásticamente con variaciones en laafluencia de caudal. La frecuencia de arranquesvariará entre cero y valores máximos, que sonvarios.
Fluctuaciones de caudal grandes son típicas parael bombeo de aguas residuales y resulta imposi-ble, así como también bastante innecesario, cal-cular el número de frecuencias de arranques decada bomba. Con ayuda de nomogramas de dise-ño pueden determinarse las capacidades totalesde bombeo y las frecuencias medias de arranques,pudiendo servir de base para diseños nuevos deestaciones de bombeo en todos los casos prácti-cos.
Pueden utilizarse los siguientes nomogramaspara las distintas categorías de diseños.
Nivel común de paradaLa figura B9 muestra un diagrama donde se puedeseleccionar VH o Z como funciones del caudal totalQtotal.
Para ambas categorías es buena costumbre dividirel volumen total de bombeo (VH) entre los nivelesde arranque a intervalos casi iguales, si todas lasbombas son idénticas. Si tienen capacidades dife-rentes, el volumen de bombeo puede dividirse enintervalos proporcionales a las capacidades de lasbombas. La utilización de modernos equipos decontrol electrónico del nivel permite optimizar losniveles de arranque, tanto manual como automá-ticamente.
115
Apéndice B
Qin/Ql
Vh/VH = 0,4 Vh/VH = 1,0
Z
0
1,0
0,6
0,8 0,4
0,6
0,8
1,0 1,6
Fig. B7
Curvas de frecuencia de arranques para varios ratiosVh/VH con VH constante y un ratio QII/QI de 1,6.
Qin/Ql
Z
0
2,0
1,0
Qll/Q=
1,81,6
1,41,2
Fig. B8
Curvas de frecuencia de arranques para varios ratiosQII/QI y un ratio Vh/VH de 0,8.
Niveles de parada escalonadosLa figura B10 muestra un diagrama donde puedenseleccionarse VH o Z como funciones del caudaltotal Qtotal.
Frecuencias de arranques recomendadasEl funcionamiento y desgaste de la bomba y equi-po están muy relacionados con el número dearranques y paradas durante un periodo largo, porejemplo un año, ya que frecuencias de arranquesmuy altas pueden estar permitidas durante perio-dos breves. Si se utilizan frecuencias de arranquesmuy altas para el dimensionamiento, hay queinvestigar su incidencia. Como se ha mostradoantes, posiblemente nunca se alcanzará la fre-cuencia máx. de arranques de una bomba ZImax enla práctica. Del mismo modo, la frecuencia máx.de arranques ZIImax de dos bombas que funcionanen paralelo es normalmente mucho más alta (1,5 –2 veces) que el valor ZImax y sólo ocurre a veces.
116
Apéndice B
PumpPump Pump Pump
Start
Start
Start
Start
Stop
For similar pumps:etc.
Qoverall = Flow rate, l/s
Qoverall [l/s]
VH [m3]
V1 V2 V3
V1
V2
V3
V4
1 2 3 4
= Pumping volume to top level, m3= Approx. average starting frequency of pump, 1/h
VH
Z
Fig. B9
Nomograma de frecuencia de arranques para una estación de bombeo con más de dos bombas y nivel de paradacomún.
Qtotal = Caudal, l/sZ = Frecuencia de arranques aprox. media de la bomba, 1/hVH = Volumen de bombeo hasta el nivel superior, m3
Bomba Bomba Bomba Bomba
Para bombas similares:
Parada
Qtotal
Arranque
Arranque
Arranque
Arranque
La selección de frecuencias de arranques debecorroborarse con las recomendaciones del fabri-cante de bombas y equipo de control. Pueden uti-lizarse las siguientes recomendaciones para fre-cuencias de arranque medias permitidas parabombas sumergibles:
117
Apéndice B
Start
Start
Start
Stop
For similar pumps:etc.
Qoverall = Flow rate, l/s
VH [m3]
Qoverall [l/s]
Start
Stop
Stop
Stop
V4
V3
V2
V1
VH
V1 V2 V3
PumpPump Pump Pump1 2 3 4
= Pumping volume to top level, m3= Approx. average starting frequency of pump, 1/h
VH
Z
Fig. B10
Nomograma de frecuencia de arranques para una estación de bombeo con más de dos bombas y niveles de paradaescalonados.
Qtotal = Caudal, l/sZ = Frecuencia de arranques aprox. media de la bomba, 1/hVH = Volumen de bombeo hasta el nivel superior, m3
Bomba Bomba Bomba Bomba
Para bombas similares:
Qtotal
Arranque
Arranque
Arranque
Arranque
Parada
Parada
Parada
Parada
Potencia de bomba
0...5 kW
5...20 kW
20...100 kW
100...400 kW
Z permitida
25 1/h
20 1/h
15 1/h
10 1/h
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