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CÁLCULO DE EFICIENCIAS Y FACTORES DE POTENCIAEN SISTEMAS DE ELEVACIÓN DE AGUAS

B 08/02/16 REVISIÓN CLIENTE RVL PGC JGSA 05/02/16 REVISIÓN INTERNA RVL PGC JGS

REV. FECHA EMITIDO PARA PREPARÓ REVISÓ APROBÓ

CÓDIGO: 2181-INF-MD-01-002VERSIÓN

BPROYECTO Nº

2181 RUTA: \\SERVERNT\Ingenieria\ESSAL\2181 Gastos O&M\Proyecto\Rev B

CAUSSE Ingenieros Civiles Asociados S.A.Compañía de Jesús Nº 1390 Of.1805, Santiago, Chile. Tel +56 2 26965396. Fax: +56 2 26973168. E-mail: [email protected]ágina Web: http://www.causse.cl

CÁLCULO DE EFICIENCIAS Y FACTORES DE POTENCIA EN SISTEMAS DE ELEVACIÓN DE AGUAS

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APROBACIONES

CAUSSE FIRMAS FECHA

PREPARÓ Rubén Veas L.

REVISÓ Pablo Galdames C.

APROBÓ José García S.

CLIENTE FIRMAS FECHA

REVISÓ

APROBÓ



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ÍNDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS............................................................................................

2. MARCO CONCEPTUAL.........................................................................................................

2.1 Eficiencia de Plantas Elevadoras....................................................................................2.2 Factor de Potencia de Plantas Elevadoras.....................................................................

3. CÁLCULO DE EFICIENCIAS TEÓRICAS Y FACTORES DE POTENCIA............................

3.1 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo A (PEAP A)..................................................3.2 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo B (PEAP B)..................................................3.3 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo C (PEAP C)...............................................3.4 Plantas Elevadoras de Aguas Servidas (PEAS)...........................................................3.5 Resumen de Eficiencias Teóricas y Factores de Potencia...........................................

ANEXOS

ANEXO N°1: CATALOGO BOMBAS KSB MODELO MEGANORM (en archivo magnético)

ANEXO N°2: CATALOGO MOTORES ELÉCTRICOS WEG (en archivo magnético)

ANEXO N°3: CATALOGO BOMBAS KSB MODELO UPA (en archivo magnético)

ANEXO N°4: CURVAS DE BOMBAS FLYGT



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1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

El presente estudio tiene como objetivo, calcular las eficiencias y factor de potencia de los sistemas de elevación de agua potable y de aguas servidas de la Empresa ESSAL.

Para el estudio se cuenta con la información entregada a la SISS para el Sexto Proceso Tarifario (Anexo 5, documento “NBI 2014 ESSAL”) en el cual se detalla la información de los equipos en uso (marca, tipo de motobomba, cantidad de equipos en operación, equipos de reserva) y las condiciones de operación correspondientes a caudal y altura manométrica de elevación en cada planta.

En el Capítulo N°2 se describe el marco conceptual de la eficiencia de un sistema (mecánico o eléctrico) y se definen las expresiones matemáticas que se utilizan para el cálculo de la eficiencia y factores de potencia de sistemas de elevación de agua de ESSAL.

En el Capítulo N°3 se calculan las eficiencias teóricas y factores de potencia de las Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipos A, B y C, según la definición de Plantas Tipo establecida por la SISS y de las Plantas Elevadoras de Aguas Servidas.

Las eficiencias teóricas se obtienen eligiendo los puntos de operación de máximo rendimiento de los equipos, según catálogos de fabricantes y las pérdidas mínimas de energía en el sistema eléctrico y sistema de transmisión motor-bomba.

2. MARCO CONCEPTUAL

La Eficiencia (E) de un sistema (mecánico o eléctrico) se define como la razón entre la Potencia Útil producida y la Potencia Absorbida por el sistema. En el caso de una Planta Elevadora, la Potencia Útil es la Potencia Hidráulica entregada al fluido (representada por el caudal y la presión del fluido) y la Potencia Absorbida corresponde a la Potencia Eléctrica (representada por el voltaje e intensidad de corriente) que recibe desde la red de la Distribuidora Eléctrica.

Eficiencia = Potencia Hidráulica/Potencia Eléctrica (normalmente se expresa %).

Por su parte el Factor de Potencia (FP) de un circuito de corriente alterna, se define como la razón entre la Potencia Activa (P) y la Potencia Aparente (S), es decir FP = P/S.

La potencia activa corresponde aquella parte de la energía eléctrica utilizable (que produce trabajo, calor, etc.) y es la consumida realmente por la instalación eléctrica.

La potencia aparente es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva (S=P+Q), esta última (Q) es una energía no utilizable, su valor medio es cero (aparece debido a la existencia de bobinas y condensadores), sin embargo, su existencia hace que por la instalación circulen mayores valores de corriente a los requeridos, por lo que es perjudicial.

Un Factor de Potencia bajo (0,4 – 0,6) representa una instalación eléctrica deficiente, lo deseable son Factores de Potencia lo más cercanos a 1.

CAUSSE Ingenieros Civiles Asociados S.A. 1Compañía de Jesús Nº 1390 Of.1805, Santiago, Chile. Teléfono +56 2 26965396. E-mail: [email protected]ágina Web: http://www.causse.cl


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2.1 Eficiencia de Plantas Elevadoras

Para el cálculo de la Eficiencia de Plantas Elevadoras, se deben cuantificar las pérdidas de energía en cada uno de los componentes del sistema de elevación, a saber:

Sistema de alimentación eléctrica compuesto, en forma simplificada por: un transformador y conductores de la energía eléctrica.

Sistema de bombeo, compuesto por un motor eléctrico, una bomba y un sistema de transmisión mecánica (cuplones).

Esquemáticamente se tiene:

Donde:

P1 es la potencia eléctrica recibida desde la red P2 es la potencia eléctrica entregada al motor P3 es la potencia mecánica en el eje del motor eléctrico P4 es la potencia mecánica en el eje de la bomba P5 es la potencia hidráulica entregada al fluido

A partir de lo anterior podemos definir las siguientes eficiencias:

E1 = eficiencia del sistema eléctrico = P2/P1 E2 = eficiencia del motor eléctrico = P3/P2 E3 = eficiencia de la transmisión mecánica = P4/P3 E4 = eficiencia de hidráulica de la bomba = P5/P4



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La Eficiencia del Sistema sería:

Eficiencia del Sistema = P5/P1, entonces se puede calcular como:

Eficiencia del Sistema = E1 x E2 x E3 x E4

2.2 Factor de Potencia de Plantas Elevadoras

El Factor de Potencia que se calcula para las Plantas Elevadoras, se asocia a los motores eléctricos que alimentan los equipos de bombeo y se obtiene directamente de los catálogos de los fabricantes de equipos motobomba.

3. CÁLCULO DE EFICIENCIAS TEÓRICAS Y FACTORES DE POTENCIA

En este capítulo se calculan las Eficiencias Teóricas de las Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipos A, B y C y de las Plantas Elevadoras de Aguas Servidas.

3.1 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo A (PEAP A)

De la información entregada a la SISS: Anexo 5, documentos “301 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo A” y “NBI 2014 Essal.xlsx”, se obtiene la información de caudales y alturas manométricas de 9 PEAP-A, las que operan en rangos de caudales unitarios (por bomba) que van de 100 a 420 m3/hora.

Para el cálculo de eficiencia se seleccionan bombas centrifugas horizontales KSB Meganorm, las que son ampliamente usadas en este tipo de instalaciones, en las Empresas Sanitarias a nivel nacional.

Con el caudal unitario por bomba en m3/h y la altura manométrica en m, se ingresa al gráfico siguiente y se selecciona el modelo de la bomba más eficiente (de 1.450 rpm o 2.900 rpm). Con la curva de la bomba seleccionada, se determina la eficiencia en cada caso.



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Gráfico N°1

Campo de Aplicación Bombas KSB MEGANORM

A modo de ejemplo se presenta la PEAP “Pudeto - P.E. Caracoles”, con caudal unitario de 110,7 m3/h y una altura manométrica de 115 m.c.a., del gráfico anterior se obtiene el modelo 65-315.

Luego se ingresa al gráfico específico para el modelo 65-315 y se identifica el punto de operación, ver figura siguiente.



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Gráfico N°2Curva Bomba MEGANORM 80-160

Del gráfico se concluye que en el punto de operación indicado, la eficiencia de la bomba es de aproximadamente 60%.

El motor estándar que usa este tipo de bomba, corresponde al WEG-w22, y el valor de su rendimiento y factor de potencia, se obtiene de tablas del fabricante, conociendo las r.p.m., potencia absorbida y % de potencia nominal utilizada.

En Anexos N°1 y N°2, se encuentran los gráficos y tablas de datos de las Bombas Meganorm y Motores WEG, de las que se obtienen las eficiencias y factores de potencia.

Por otra parte, un valor normalmente aceptado para la eficiencia de la transmisión mecánica entre bomba y motor (instalación horizontal con cuplón) es de un 95%.

Finalmente, la eficiencia del sistema eléctrico se estima en un 95%, considerando al menos los efectos de pérdida de energía en el transformador (fenómeno de histéresis y corrientes de Foucoult) y en las líneas de conducción eléctrica (efecto Joule).



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De acuerdo con lo expuesto, la eficiencia de la PEAP-A del ejemplo, se calcula como sigue:

Eficiencia PEAP-A = 0,95 x 0,95 x Eficiencia Motor x Eficiencia Bomba

Para calcular la eficiencia del conjunto de las plantas elevadoras estudiadas (PEAP-A) se aplica la siguiente expresión:

Eficiencia Media Ponderada PEAP-A = ∑ Eficiencia (PEAP-A)i x Hi x Qi / ∑ Hi x Qi

Donde Hi es la altura manométrica y Qi es caudal total para (PEAP-A)i.

En la tabla siguiente se resume el cálculo de la Eficiencia del conjunto motor-bomba, aplicando la metodología descrita a las Plantas Elevadoras Tipo A de ESSAL.



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Tabla N°1Cálculo de Eficiencia PEAP-A

Item Localidad Nombre de la obraTotal

bombasBombas en

reservaCaudal

totalCaudal

unitarioAltura

manométrica

Modelo bomba

Meganorm

Eficiencia bomba (1)

Eficiencia motor (2)

Factor de potencia

Eficiencia de PEAP

0,95x0,95x(1)x(2)

l/s m3/h m.c.a. % % % %1 OSORNO PEAP Caipulli 6 3 340 408 32 150-400 79 93,6 0,86 67

2 ANCUDFiltros - Planta Elevadora Nº 1

1 0 120 432 20 150-315 82 91,2 0,88 67

3 OSORNOReelevadora a Est. Las Quemas

3 1 115 207 63 80-250 74,5 92,5 0,9 62

4 PUERTO MONTT PEAP E - F2 2 1 113 406,8 34 150-400 80 92,2 0,88 67

5 OSORNOReelevadora a Est. Schilling

3 1 78 140,4 16,5 100-250 78,5 86,8 0,87 61

6 PUERTO MONTT PEAP Est. G-3 a G-4 3 1 65 117 36 80-315 74 89,7 0,79 60

7 LOS LAGOSPEAP 2 de Planta de Filtros 2 Cerro Lopez

2 1 63 226,8 29 125-315 78 91,7 0,81 65

8 ANCUD Pudeto - P.E. Caracoles 3 1 61,5 110,7 115 65-315 60 92,7 0,9 509 ANCUD Pudeto - P.E. Caicumeo 3 1 61,1 109,98 97 50-315 55 92,5 0,9 46

60%Eficiencia Ponderada de PEAP-A =



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3.2 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo B (PEAP B)

De la información entregada a la SISS: Anexo 5, documentos “302 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo B” y “NBI 2014 Essal.xlsx”, se obtiene la información de caudales y alturas manométricas de elevación de 4 PEAP-B, las que se encuentran en operación.

Para el cálculo de eficiencia se seleccionan bombas sumergibles verticales marca KSB, Modelo UPA, ampliamente usadas en este tipo de instalaciones, en las Empresas Sanitarias a nivel nacional.

Con el caudal unitario por bomba en m3/h y la altura manométrica en m, se ingresa al gráfico general que se muestra en la página siguiente y se selecciona el modelo de bomba más eficiente (1.450 rpm o 2.900 rpm). Con la curva de la bomba seleccionada, se determina la eficiencia en cada caso.



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Gráfico N°3Campo de Aplicación Bombas KSB UPA



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En el Anexo N°3, se encuentran los gráficos y tablas de datos de las Bombas KSB UPA, de las que se obtienen las eficiencias y factores de potencia.

La eficiencia de transmisión mecánica se consideró en un 98%, por tratarse de un equipo monolítico.

Por su parte, la eficiencia del sistema eléctrico se estima en un 95%, considerando al menos los efectos de pérdida de energía en el transformador (fenómeno de histéresis y corrientes de Foucoult) y en las líneas de conducción eléctrica (efecto Joule).

Por lo tanto, la eficiencia de las PEAP Tipo B se calcula mediante la expresión:

Eficiencia PEAP-B = 0,98 x 0,95 x Eficiencia Motor x Eficiencia Bomba.

En la tabla siguiente se resume el cálculo de Eficiencias del conjunto motor-bomba, aplicando la metodología descrita a las Plantas Elevadoras Tipo B de ESSAL.

Para calcular la eficiencia del conjunto de plantas elevadoras estudiadas (PEAP-B) se aplica la siguiente expresión:

Eficiencia Media Ponderada PEAP-B = ∑ Eficiencia (PEAP-B)i x Hi x Qi / ∑ Hi x Qi

Donde Hi es la altura manométrica y Qi es caudal total para (PEAP-B)i.

Tabla N°2Cálculo de Eficiencia PEAP-B

Item Localidad Nombre de la obraTotal

bombasBombas

en reservaCaudal

totalCaudal

unitarioAltura

manométrica

Modelo bomba KSB

UPA



Factor de potencia

Eficiencia de PEAP

0,98x0,95x(1)x(2)

l/s m3/h m.c.a. % % % %

1 QUELLONEstero Matadero (La Paz)

2 0 25 45 58 UPA-200-14 80 80,4 0,75 60

2 CHONCHI Pozo Drenes 2 1 7 25,2 34 UPA-200-11 72 77 0,74 52

3 PANGUIPULLIPlanta Reelev. La Araucana

2 1 17 61,2 57 UPA-200B-80 74 82,3 0,78 57

4 ANCUD Lajas Blancas 3 1 80 144 146 UPA-250C-120 78 88,1 0,82 64

63%Eficiencia Ponderada de PEAP-B =



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3.3 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo C (PEAP C)

De la información entregada a la SISS: Anexo 5, documentos “303 Plantas Elevadoras de Agua Potable Tipo C” y “NBI 2014 Essal.xlsx”, se obtiene la información de caudales y alturas manométricas de elevación de 9 Plantas Elevadoras Tipo C, de distintos servicios de ESSAL.

Para el cálculo de la eficiencia teórica se han elegido bombas verticales KSB UPA, para pozos profundos, ampliamente usadas en este tipo de instalaciones, en las Empresas Sanitarias a nivel nacional.

De manera análoga al caso anterior, con el caudal unitario por bomba en m3/h y la altura manométrica en m, se ingresa al gráfico general de bombas UPA y se selecciona el modelo de bomba más eficiente (de 1.450 rpm o 2.900 rpm). Con la curva de la bomba seleccionada, se determina el punto óptimo de operación y la eficiencia en cada caso.

En el Anexo N°3, se encuentran los gráficos y tablas de datos de las Bombas KSB UPA, de las que se obtienen las eficiencias y factores de potencia.

La eficiencia de transmisión mecánica se consideró en un 98%, por tratarse de un equipo monolítico.

Por su parte, la eficiencia del sistema eléctrico se estima en un 95%, considerando al menos los efectos de pérdida de energía en el transformador (fenómeno de histéresis y corrientes de Foucoult) y en las líneas de conducción eléctrica (efecto Joule).

Por lo tanto, la eficiencia de las PEAP Tipo C se calcula mediante la expresión:

Eficiencia PEAP-C = 0,98 x 0,95 x Eficiencia Motor x Eficiencia Bomba.

En la tabla siguiente se resume el cálculo de Eficiencias del conjunto motor-bomba, aplicando la metodología descrita a las Plantas Elevadoras Tipo C de ESSAL.

Para calcular la eficiencia del conjunto de plantas elevadoras estudiadas (PEAP-C), se aplica la expresión de eficiencia media ponderada:

Eficiencia Media Ponderada PEAP-C = ∑ Eficiencia (PEAP-C)i x Hi x Qi / ∑ Hi x Qi

Donde Hi es la altura manométrica y Qi es caudal total para (PEAP-C)i.



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Tabla N°3Cálculo de Eficiencia PEAP-C

Item Localidad Nombre de la obra Caudal Caudal Altura

manométrica

Modelo bomba KSB

UPA



Factor de potencia

Eficiencia de PEAP

0,98x0,95x(1)x(2)

l/s m3/h m.c.a. % % % %1 PUERTO MONTT PEAP Sondaje 2093 100 360 160 UPA-300-94 81 90,7 0,87 682 PUERTO MONTT PEAP Sondaje 2100 70 252 115 UPA-250C-250 78 88,5 0,84 643 OSORNO PEAP Sondaje 1168 65 234 45 UPA-250C-250 78 83,6 0,82 614 ALERCE PEAP Sondaje 2042 61 219,6 79 UPA-250C-250 77 87,5 0,81 635 ALERCE PEAP Sondaje 2102 60 216 85 UPA-250C-250 76 87,5 0,81 626 PUERTO MONTT PEAP Sondaje 2074 58 208,8 70 UPA-250C-250 76 87,7 0,83 62

7RÍO BUENO - LA UNION

PEAP Sondaje 2049 55 198 110 UPA-250C-150 76 88,1 0,82 62

8PUERTO VARAS - LLANQUIHUE

PEAP Sondaje 2063 50 180 95 UPA-250C-150 80 87,7 0,84 65

9 ALERCE PEAP Sondaje 2041 50 180 77 UPA-250C-150 80 86,9 0,84 65

65%Eficiencia Ponderada de PEAP-C =



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3.4 Plantas Elevadoras de Aguas Servidas (PEAS)

De la información entregada a la SISS: Anexo 5, documentos “351 Plantas Elevadoras de Aguas Servidas” y “NBI 2014 Essal.xlsx”, se obtiene la información de caudales y alturas manométricas de elevación de una muestra de 18 Plantas Elevadoras de AS, que se encuentran en operación y que cubren un rango representativo de caudales que van de 25 a 125 l/s.

Considerando el uso generalizado de las bombas marca Flygt, en las Empresas Sanitarias del país, se utiliza el software FLYPS 3.1 para la selección del modelo y para obtener las curvas de trabajo y los parámetros de la bomba (potencia, eficiencia, factor de potencia, etc.).

A modo de ejemplo se muestra el gráfico para la “PEAS Río Bueno de Río Bueno La Unión” con un punto de operación de Q = 109,2 l/s y H manométrica = 46 m.c.a., donde se puede apreciar que la eficiencia del conjunto (motor bomba) es de 45,7%



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Gráfico N°4Curva de PEAS Río Bueno de Río Bueno La Unión



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Los gráficos con los puntos de operación de las bombas de las PEAS, se encuentran en el Anexo N°4.

En la tabla siguiente se resumen los resultados entregados por el software, para lo cual se adoptaron las siguientes consideraciones:

Caudal unitario = Caudal total / (total bombas – bombas en reserva).

Eficiencia del sistema eléctrico = 95%.

Eficiencia media del conjunto motor bomba se obtiene directamente del software. Las eficiencias del motor y la transmisión, se consideran incluidas en la eficiencia que entrega el fabricante. Por lo tanto, la eficiencia de la PEAS se calcula con la expresión:

Eficiencia (PEAS) = Eficiencia Media Moto Bomba x 0,95

La Eficiencia Media Ponderada de las PEAS de ESSAL, se calcula mediante la expresión:

Eficiencia Media Ponderada = ∑ Eficiencia de (PEAS)i x Hi x Qi / ∑ Hi x Qi

Donde Hi es la altura manométrica y Qi es caudal total para (PEAS)i.

En la tabla siguiente se presentan los resultados obtenidos.



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Tabla N°4Cálculo de Eficiencia PEAS

Item Localidad Nombre de la obra

Total bombas

Bombas en reserva

Caudal total l/s

Caudal unitario l/s

Altura geométrica

m

Altura manométrica

m

Eficiencia % 50 Hz (1)

Modelo Bomba Flygt

Factor de potencia

Eficiencia de PEAS 0,95x(1)

1 PUERTO VARAS - LLANQUIHUE

PEAS Llanquihue

3 1 215,0 107,5 33,4 58,0 61,6 NP 3231/705 0,83 58,5


PEAS Santa Rosa

3 1 200,0 100,0 15,7 40,0 57,8 NP 3231/765 0,83 54,9

3 PANGUIPULLI PEAS Nº2 2 1 83,3 83,3 68,8 70,0 53,7 NP 3231/735 0,87 51,0

4 RÍO BUENO - LA UNION

PEAS Nº 2 2 1 97,0 97,0 13,9 60,0 58,6 NP 3231/765 0,83 55,7

5 CALBUCO PEAS Nº3 OHiggins

2 1 111,0 111,0 46,2 46,6 45,7 NP 3312/735 0,81 43,4

6 QUELLON PEAS Montt 2 1 80,0 80,0 35,1 59,0 53,7 NP 3231/665 0,83 51,07 ALERCE PEAS Nº 2 2 1 125,0 125,0 15,0 30,0 49,0 NP 3315.180 LT 0,76 46,68 DALCAHUE PEAS Dalcahue 2 1 60,0 60,0 57,0 57,0 59,6 NP 3301.180 HT 0,83 56,69 ALERCE PEAS Nº 1 3 1 146,0 73,0 22,3 24,9 51,5 NP 3301.180 MT 0,78 48,9

10 RÍO BUENO - LA UNION

PEAS Rio Bueno

2 1 109,2 109,2 5,6 46,0 45,7 NP 3312/765 0,77 43,4

11 CALBUCO PEAS Nº 4 3 1 100,0 50,0 12,8 13,0 58,8 NP 3153.181 LT 0,82 55,912 OSORNO PEAS Chuyaca 2 1 76,0 76,0 13,8 21,0 45,4 NP 3312/705 0,82 43,113 PUERTO MONTT PEAS Anahuac 1 0 75,0 75,0 28,8 34,0 50,2 NP 3315.180 MT 0,79 47,7


PEAS Puerto Chico

3 1 61,0 30,5 8,0 10,0 43,0 NP 3315.181 LT 0,76 40,9

15 CHONCHI PEAS Irrarázabal

2 1 30,0 30,0 40,7 49,4 45,4 NP 3202.180 HT 0,88 43,1

16 MAULLIN PEAS B. O Higgins

2 1 25,8 25,8 10,9 27,0 44,6 NP 3171.181 MT 0,88 42,4

17 OSORNO PEAS Murrinumo

2 1 53,0 53,0 18,3 29,0 42,1 NP 3171.180 MT 0,79 40,0

18 RIO NEGROPEAS Anibal Pinto 2 1 45,0 45,0 43,5 54,0 54,2 NP 3301.185 HT 0,84 51,5

51,2Eficiencia Media Ponderada de PEAS =



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3.5 Resumen de Eficiencias Teóricas y Factores de Potencia

En la tabla siguiente se resumen los valores de Eficiencia y Factor de Potencia, obtenidos para las Plantas Elevadoras de Agua Potable y Aguas Servidas de ESSAL.

Tabla N°5Resumen de Eficiencias y Factor de Potencia

por Tipo de Planta Elevadora

Ítem Tipo de Planta Eficiencia Factor de Potencia

% 1 PEAP-A 60,0 0,87

2 PEAP-B 63,0 0,77

3 PEAP-C 65,0 0,83

4 PEAS 51,2 0,82



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ANEXOS


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