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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA
ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA
NÚCLEO BOLÍVAR
EXTENSIÓN CAURA
CÁTEDRA: DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO
ING-CIV-8S-D-02
SISTEMAS DE TUBERÍAS
Prof.: Bachilleres:
Maita, Gustavo Medina, Moisés CI: V-21.124.912
Meneses, Delvis CI: V-20.840.587
Portuguez, José CI: V-20.013.580
Ciudad Guayana, Julio de 2015
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TABLA DE CONTENIDO
PÁG.
Introducción ............................................................................................................. 2
1. Bombas en paralelo ....................................................................................... 3
i) Ventajas
ii) Desventajas
2. Bombas en serie ................................................................................................ 4
i) Ventajas
ii) Desventajas
3. Componentes de los sistemas de bombeo ..................................................... 6
i) Instalaciones del lado de succión. Sistemas pozo/ tanque de succión
ii) Instalaciones del lado de descarga
iii) Instalaciones para pozos subterráneos
4. Conclusiones ................................................................................................... 13
5. Referencia bibliográfica y documental .......................................................... 14
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INTRODUCCIÓN
La existencia de fuentes de abastecimiento de agua a elevaciones inferiores a
los sitios de consumo, obligará a estudiar alternativas de bombeo que mediante
análisis económico permitan la solución más ventajosa.
El dimensionamiento adecuado del sistema de tubería resultara un costo menor
del ciclo de vida del sistema de bombeo. Esto requiere la búsqueda del balance
óptimo entre los costos de la bomba y de instalación.
Hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la presión
o el caudal, así como los requerimientos de succión y descarga; para ello se emplea
el uso de bombas en serie o en paralelo y con ello aumentar la eficiencia de dicho
sistema. En el primer caso se suman las cargas a la misma capacidad, mientras que
en el segundo se suman las capacidades y operan a la misma carga.
Asimismo, anteriormente se creía que las aguas subterráneas procedían del
mar y habían perdido su salinidad al filtrarse entre las rocas. Hoy se sabe que es
agua procedente de la lluvia.
Las aguas subterráneas forman grandes depósitos que en muchos lugares
constituyen la única fuente de agua potable disponible.
A veces, cuando circulan bajo tierra, forman grandes sistemas de cuevas y
galerías. En algunos lugares regresan a la superficie, brotando de la tierra en forma
de fuentes o manantiales. Otras, hay que ir a recogerlas a distintas profundidades
excavando pozos.
Cada uno de los puntos ya mencionados serán explicados de una forma más
amplia en el presente trabajo.
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SISTEMAS DE TUBERÍAS
1. BOMBAS EN PARALELO
Las bombas en paralelo consisten en colocar dos o más bombas a aspirar
desde un mismo lugar, con el propósito de aumentar el caudal de entrega.
El acoplamiento de dos o más bombas en paralelo se justifica cuando se trata
de satisfacer las necesidades o demandas de agua, variables en el tiempo, como en
sistemas de riego, o en redes de distribución de agua potable.
El empleo de una sola bomba, para satisfacer los consumos altamente
variables con el tiempo, sería factible pero antieconómico, puesto que aquella
tendría que trabajar con eficiencias muy bajas, correspondientes a los distintos
puntos de funcionamiento, por lo que poniendo en marcha de forma progresiva los
grupos necesarios según el consumo, se logra mantener el rendimiento dentro de
márgenes razonables.
i) Ventajas
El suministro de agua, variable según la demanda, puede garantizarse por
medio de una progresiva entrada en funcionamiento de distintos grupos de
bombas, conformado por bombas acopladas en paralelo.
Con esta configuración se logra aumentar el caudal de entrega ya que dos
o más bombas en paralelo permite extraer el fluido de la misma fuente de
entrada y enviarlo a un colector común para hacerlo llegar a todo el
sistema.
Mantiene el rendimiento dentro de márgenes razonables sin provocar que
las bombas operen muy lejos de su punto óptimo de eficiencia.
Cuando múltiples bombas operan continuamente como parte de un
sistema de bombeo en paralelo, puede haber oportunidades para
conseguir un ahorro de energía significativo.
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4
Las bombas en paralelo proporcionan buena flexibilidad de operación en
sistemas dominados por la altura.
ii) Desventajas
Como se mencionó anteriormente, las bombas en paralelo proveen buena
flexibilidad de operación en sistemas dominados por la altura, aun así, no
resultan tan efectivas en sistemas dominados por la fricción.
Las pérdidas por fricción originan una mayor presión de descarga, se
reduce el caudal proporcionado por cada bomba, y se altera la eficiencia
de estas. Adicionalmente, se requiere más energía para transferir un
volumen de fluido dado.
Agregar una segunda bomba duplica la capacidad del sistema, sin
embargo, conforme ocurre un flujo volumétrico más grande en el sistema
de tubería, se crear una carga mayor, lo que hace que cada bomba envíe
menos flujo.
Se debe tener en cuenta que la operación de dos bombas idénticas en
paralelo no dobla el caudal, por lo que es aconsejable evitar la operación
de dos bombas acopladas de esta forma cuando una bomba simple pueda
cumplir con los requerimientos del sistema.
Su uso además se limita para caudales controlados es decir bajo presiones
similares y controladas.
2. BOMBAS EN SERIE
Este tipo de acoplamiento se emplea en casos en los cuales se desea elevar
un mismo caudal a distintas alturas, o para impulsar un determinado caudal,
venciendo grandes resistencias debidas a grandes longitudes de las conducciones.
El acoplamiento de bombas en serie más frecuente la constituye la
disposición de N rodetes idénticos en una bomba multicelular.
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Además, cuando hay que suministrar alturas elevadas y existe limitación de
diámetros (por ejemplo, bombas en pozo profundo) el acoplamiento en serie resulta
de gran interés.
Si se emplea una bomba de rodete único para impulsar agua desde un pozo
hacia una altura relativamente grande, aquella deberá tener un diámetro de rotor
grande, y así, también, grande sería la bomba y la tubería de aspiración, por lo cual
el diámetro del pozo sería grande.
i) Ventajas
A través del acoplamiento en serie de las bombas se logra solventar
distintos problemas originados por el empleo de una sola bomba para
grandes alturas entre ellas un mejor rendimiento.
Éste método permite operar contra cargas inusuales, por lo que se alcanza
una mayor altura de elevación ya que el caudal que descarga la primera
bomba es captado por la segunda y el que ésta descarga es impulsado por
la siguiente.
No es necesario que las bombas conectadas en serie sean iguales.
Las bombas en series obtienen las grandes alturas con rodetes de tamaño
reducido y un número específico de revoluciones más elevado por cada
rodete en comparación con un único rodete trabajando en el mismo punto.
ii) Desventajas
Se debe tener mayor cuidado cuando se acoplan bombas diferentes, ya
que no todas las zonas serán efectivas, o resultarán beneficiosas.
Resulta imposible garantizar que todas las bombas acopladas en serie
funcionen en sus puntos de máximo rendimiento.
En el transporte de aguas residuales este modo de funcionamiento solo se
aplica en casos muy raros.
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3. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
i) Instalaciones del lado de succión. Sistemas pozo / tanque de
succión.
La línea de succión se refiere a todas las partes del sistema de flujo, desde la
fuente del fluido a la entrada de la bomba. La instalación en el lado de succión de la
bomba es crítica para la confiabilidad de la bomba y del sistema. La tubería del
sistema debe contar con un número de consideraciones de diseño que
proporcionen:
Flujo continuo del líquido.
Perfil de flujo completamente desarrollado (evita interrupciones
próximas a la succión).
Una Carga Neta de Succión Positiva (NPSH) disponible.
La velocidad del líquido en la tubería de succión no debe exceder la velocidad
en entrada de la succión de la bomba. Si el tubo de la succión es más largo que la
conexión de la succión, no será posible una mayor velocidad en la tubería debido a
que una tubería más larga reduce la velocidad en un caudal asignado. Los servicios
con temperaturas altas también pueden requerir un tamaño más grande de tubería
para reducir la fricción y reducir la NPSH (Carga Neta de Succión Positiva)
disponible.
Es recomendable una velocidad de 3 a 10 pies por segundo (2.1 a 6.8 metros
por segundo); preferentemente que el flujo esté por debajo de los 7 pies por
segundo (4.8 metros por segundo). Se debe evitar velocidades de más de 15 pies
por segundo (10.2 metros por segundo). Si el líquido bombeado está cerca de su
punto de ebullición, la velocidad no debe exceder los 3 pies por segundo (2.1 metros
por segundo).
A menos que se sepa que el fluido es muy limpio, debe instalarse un filtro en
la entrada o en cualquier lugar del tubo de succión, con objeto de mantener las
partículas fuera de la bomba y del proceso en el que se distribuirá el fluido. Una
válvula de pie en la entrada permite el libre flujo hacia la bomba, pero cesa si la
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bomba se detiene. Esto mantiene una columna de líquido sobre la bomba y elimina
la necesidad de iniciar la bomba cada vez que arranca. Si se emplea una válvula
cerca de la bomba, es preferible que sea una válvula de compuerta, pues ofrece
muy poca resistencia al flujo si está abierta por completo.
Aunque el tamaño del tubo para la línea de succión nunca debe ser más
pequeño que la conexión de entrada sobre la bomba, puede ser algo mayor para
reducir la velocidad de flujo y las perdidas por fricción. La alineación de la tubería
debe eliminar la posibilidad de que se formen burbujas o bolsas de aire en la línea
de succión, porque esto haría que la bomba perdiera capacidad y tal vez el
arranque.
La tubería larga servirá cuando se incremente la NPSH disponible y reducirá
las pérdidas de presión por fricción. En algunos casos como cuando se manejan
sustancias como lodo o en las columnas de bomba vertical, se debe mantener la
velocidad mayor a los 3 pies por segundo (2.1 metros por segundo) para evitar el
asentamiento (en el caso del lodo) o para asegurar que los sólidos suspendidos
sean llevados hacia arriba en la columna (en el caso de la bomba vertical).
Las tuberías largas deben tener pendiente hacia arriba, en dirección de la
bomba. Debe evitarse los codos en un plano horizontal. Si se requiriera un reductor,
debe ser del tipo excéntrico. Los reductores concéntricos sitúan parte de la línea de
suministro sobre la entrada de la bomba, donde podría formarse una bolsa de aire.
La línea de succión debe estar libre de bolsas de aire ya que pueden ocasionar
pérdidas en el cebado o retrasar el bombeo una vez que la bomba arranque.
La configuración de la tubería y de los accesorios de la succión debe
considerarse para minimizar las perdidas por fricción. La tubería de succión debe
estar diseñada con una longitud recta de entre 4 a 10 diámetros antes de la
conexión de la succión de la bomba. En caso de que la longitud no sea posible, se
pueden instalar álabes enderezadores o difusores para asegurar un flujo uniforme.
No debe haber más de un giro perpendicular de 90º cerca de la conexión de
succión de la bomba para evitar un remolino, esto ocasionará daños a la bomba
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como ruido excesivo y cavitación. Si se requiere de giros múltiples, los giros deben
ocurrir en el mismo plano para ayudar al “enderezamiento” del flujo en la succión de
la bomba.
Para las bombas múltiples en un sistema común, cada bomba debe tener sus
propias líneas de succión que provengan de la misma fuente o tubo colector, más
de uno de los tubos de succión pueden ocasionar que la bomba quede sin
alimentación.
Ninguna tubería debe estar por debajo de la brida de succión de la tubería.
En el suministro de succión, la tubería de succión debe estar correctamente
sumergida por debajo del líquido de la superficie para evitar vórtices y entradas de
aire que pueden extenderse a la bomba.
ii) Instalaciones de lado de descarga
La tubería de descarga en un sistema de bombeo no causa efectos en el
desempeño de la bomba, únicamente la perdida en la carga que genera. El diseño
óptimo en la tubería de descarga minimiza los costos de instalación y operación. Los
accesorios y tuberías de tamaño inferior ocasionan velocidades altas, incrementos
de presión y pérdidas de energía.
Si se dimensiona un sistema de tubería muy grande, se incrementan los costos
iniciales de la tubería y de los accesorios. El tubo de descarga, las válvulas y los
accesorios deben ser por lo menos del mismo diámetro que la conexión de
descarga de la bomba (generalmente más larga), o dimensionarse conforme a
buenas prácticas de industrias.
En general, la línea de descarga debe ser tan corta y directa como sea posible,
para minimizar la carga sobre la bomba. Los codos deben ser de tipo estándar o de
radio largo, si fuera posible. Debe seleccionarse el tamaño de la tubería de acuerdo
con la velocidad o las perdidas por fricción permisibles.
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Con base en el ideal de minimizar las pérdidas de energía se recomienda
tamaños grandes y velocidades bajas. No obstante, otras consideraciones acerca
del costo y lo práctico de la instalación podrían llevar a selección tuberías más
pequeñas. Con el resultado de velocidades más elevadas.
La línea de descarga debe contener una válvula cerca de la bomba para permitir
que se dé servicio a ésta o se reemplace. La válvula actúa con la que está en la
línea de succión para aislar la bomba. Por razones de resistencia baja, es preferible
una válvula de mariposa. Si el flujo debe regularse durante el servicio, es mejor
emplear una válvula de globo porque permite un estrangulamiento suave de la
descarga. En efecto, esto incrementa la carga del sistema y ocasiona que disminuya
la entrega de la bomba.
Es posible agregar los elementos que requiera una línea de descarga. Una
válvula de alivio de la presión protegerá la bomba y al resto del equipo, en caso de
un bloqueo del flujo o falla accidental de una válvula.
Una válvula de verificación impide que el flujo regrese a la bomba cuando no
esté en funcionamiento. Debe colocarse una válvula de verificación entre la válvula
de apagado y la bomba. Si se emplea una expansión para el puerto de descarga de
la bomba, debe colocarse entre la válvula de verificación y la bomba. Podría ser
necesario instalar una llave en la línea de descarga para un medidor con su válvula
de apagado. Un grifo de muestreo permitiría extraer una cantidad pequeña de fluido
para realizar pruebas sin interrumpir la operación.
iii) Instalaciones para pozos subterráneos
La obra de captación de una fuente subterránea está constituida por el pozo o
la galería de infiltración. Un pozo eficientemente diseñado debe ser capaz de
permitir la utilización de los recursos naturales del acuífero en toda su amplitud. Por
ello, un buen diseño de pozos dependerá en gran parte de la cantidad de datos
disponibles. De no disponer de suficiente información, cualquier nuevo pozo será
puramente tentativo y diseñado sin bases ciertas.
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Cada diseño de un pozo puede considerarse como un caso particular y
cambiará de acuerdo a la naturaleza y condiciones del acuífero, ya que las
condiciones hidráulicas determinantes pueden ser distintas en uno y otro caso.
Si se desea extraer un caudal Q, será necesario que el acuífero sea capaz de
producirlo, pero adicionalmente deberá disponerse del equipo de bombeo capaz de
extraerlo, por lo que no se debe olvidar que la extracción de un caudal estará
definido por el equipo de bombeo a instalar, y en ellos son factores determinantes el
diámetro del impulsor, el número de impulsores y la velocidad de rotación de los
mismos.
Esto obliga a seleccionar un diámetro de la perforación capaz de albergar al
equipo apropiado, con lo cual se debe suponer cierta holgura para satisfacer su
instalación sin riesgos de estreches o atascamientos por deficiencias en la
verticalidad del pozo.
El diámetro del pozo deberá seleccionarse en función del volumen del agua
requerido, tomando en cuenta las características del acuífero y el equipo de
perforación a utilizar.
Normalmente, se considera que un diámetro de 2 pulgadas mayores es
suficiente para permitir cierta flexibilidad y absorber cualquier desviación en la
verticalidad del pozo que pueda ocasionar inconvenientes.
La profundidad a dar al pozo definitivo en la mayoría de los casos se hace
hasta la profundidad total del espesor del acuífero. Esto lógicamente si se quiere
aprovechar al máximo su capacidad, ya que con ello se logra mayor capacidad
especifica.
En algunos casos resulta necesario antes de hacer la perforación llenar el
fondo con material impermeable hasta la profundidad deseada, apisonándolo en
capas a fin de evitar que ocurra asentamiento de la rejilla, todo ello debido a que
algunas veces el agua de los estratos inferiores es de mala calidad.
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En el diseño de una empacadura de grava, debe entenderse que existe una
relación de importancia entre la gradación de la grava y la abertura de la rejilla a
utilizar, de forma tal que prevenga el pase de arena. En este caso, la selección de la
abertura de la rejilla debe ser para retener la grava y ésta, a su vez, debe ser capaz
de retener el material de la formación.
Existen distintos factores a considerar en la selección del material y tipo de
rejilla con el fin de ofrecer la durabilidad que un periodo de diseño económico le
impone a la obra de captación, ellos son los siguientes:
El grado de mineralización del agua, lo cual refleja su carácter
corrosivo o incrustante: En presencia de aguas con carácter
corrosivo, debe seleccionarse un material que soporte bien la
corrosión, ya que estas aguas provocara una destrucción más rápidas
en las zonas más débiles de la captación, y en cualquier aumento en
una abertura contribuirá al pase de material granular (arenas) no
previstos en el diseño, por lo cual un pozo puede convertirse en un
terreno pasador de arena y arruinarlo de por vida. El grado de
severidad de la corrosividad permitirá seleccionar un material con
mayor o menor resistencia a esta acción destructora, tomando en
cuenta los costos de las rejillas.
La presencia de película bacteriana: Pueden ocasionar obstrucción
del área libre de captación mediante la formación de masas
gelatinosas, como consecuencia de sus procesos vitales mediante la
oxidación del hierro y manganeso disuelto en el agua. Algunas de tales
bacterias no patógenas son las bacterias ferruginosas, sulfurosas y
manganésicas.
La resistencia estructural impuesta por condiciones de esfuerzos
a los cuales puede estar sometida la rejilla: Una rejilla
generalmente se encuentra sometida a esfuerzos de compresión y a
esfuerzos de presión lateral, pero a veces puede también estar
sometida a esfuerzos de tensión, como es el caso de rejillas en
posiciones intermedias en la longitud total del pozo.
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Las personas que usan agua subterránea encontrarían más fácil obtenerla si
el nivel en el acuífero que suministra al pozo, se mantuviese siempre al mismo nivel.
Las variaciones de la lluvia que ocurren durante las diferentes estaciones del año y
las ocasionales sequías, afectan la altura del nivel del agua subterránea. Si se
bombea un pozo a velocidad mayor con la que su acuífero se recarga ya sea por
precipitación pluvial u otro tipo de flujo de agua subterránea, entonces los niveles
del agua alrededor del pozo pueden ser más bajos. El nivel del agua en un pozo
también puede bajar si a otros pozos existentes cerca del mismo, se les extrae
demasiada agua. Cuando los niveles del agua bajan más que el nivel de bombeo,
entonces los pozos empiezan a bombear aire y éstos se secan.
En general los datos y características que se deben tener en cuenta para el
diseño e instalación de un pozo subterráneo son los siguientes:
Diámetro de la perforación del pozo.
Diámetro de la tubería de revestimiento del pozo.
Profundidad de la perforación.
Rejillas a ubicarse en la zona del acuífero, en caso de requerirse.
De las rejillas deben definirse: longitud, diámetro, material de
constitución y tipo.
Empaques de grava o rellenos estabilizantes, en caso de requerirse.
Datos hidrometeorológicos que permitan determinar el balance hídrico
de la zona.
Fotogrametría, topografía y cartografía básica, que permitan
determinar la ubicación de la captación y ocupación de áreas para
efectos de expropiación o adquisición legal.
Mapas geológicos y datos que permitan determinar el tipo de
formación geológica y su litología.
Datos sobre puntos de agua: captaciones, vertientes, manantiales,
pozos profundos y pozos someros, con localización geográfica, datos
hidrogeológicos y calidad del agua.
Datos sobre posibles fuentes de contaminación de los acuíferos.
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CONCLUSIONES
En algunos casos, las instalaciones de bombeo podrían tener una
amplia gama de necesidades de carga o descarga y una sola bomba
tal vez no podría satisfacerlas. En estas situaciones el uso de dos o
más bombas, en lugar de una, permite que cada una de ellas opere en
su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiempo de operación.
Cuando se acoplan dos o más bombas en paralelo, cada una de éstas
aspira el fluido desde un tanque o depósito común, para reunir sus
respectivos caudales impulsados en una tubería de impulsión común
para ellas. En este tipo de acoplamiento, el caudal total es la suma de
los caudales individuales, y la altura total es constante e igual a la de
cada una de las bombas individualmente.
En serie, la tubería de impulsión de una bomba se constituye en la
tubería de aspiración de la siguiente unidad, por lo que el caudal
bombeado, QB, es el mismo para todas ellas, y la altura del conjunto
es la suma de las alturas desarrolladas por las bombas
individualmente.
Además de las consideraciones que se deben realizar con los
diferentes componentes del sistema; el diseño y fabricación de la
tubería de succión y de descarga debe cumplirse de acuerdo a las
mejores prácticas, por lo que se considera importante que el diseño y
fabricación de la tubería se realice bien desde la primera vez para
evitar grandes y costosos errores a futuro.
Los pozos son instalaciones que se utilizan desde hace siglos para
alumbrar el agua subterránea con distintos fines, principalmente riego y
consumo humano. Esta gestión de pozos e instalaciones de captación
de aguas subterráneas es un proceso que requiere de conocimientos
de los requisitos legales y experiencia en la tramitación para una
adecuada instalación.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DOCUMENTALES
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Ediciones Vega.
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