Estaciones De Bombeo (Francisco Briceño)

•  La necesidad de la construcción de las estaciones de bombeo viene dado por los condicionantes topográficos, para poder transportar las aguas potables de un punto a otro de la red entre los que no existe la necesaria diferencia de cotas para que se pueda realizar el transporte por gravedad.

• También se llaman estaciones de bombeo a las estructuras que cumplen la función de elevar un fluido desde su nivel energético inicial hasta el nivel energético mayor.

•  instalaciones, construidas y equipadas para transportar el agua residual del nivel de succión o de llegada a las unidades de tratamiento, al nivel superior o de salida de la misma. 

Las estaciones de bombeo de aguas residuales son necesarias para elevar y/o transportar, cuando la disposición final del flujo por gravedad ya no es posible. En terrenos planos, los colectores que transportan el agua residual hacia la estación de tratamiento se pueden profundizar de tal modo que se tornaría impracticable la disposición final sólo por gravedad. Las tuberías de alcantarillado, al funcionar como conductos libres, necesitan tener cierta pendiente que permita el escurrimiento por gravedad, situación que en terrenos planos ocasiona que las mismas, en si desarrollo, cada vez sean más profundas. En consecuencia, las estaciones de bombeo surgen como instalaciones obligatorias en Sistemas de Alcantarillado de comunidades o áreas con pequeña pendiente superficial.

Las aguas residuales son bombeadas con los siguientes propósitos:

• ·   Para ser conducidas a lugares distantes.

• ·  Para conseguir una cota más elevada y posibilitar su lanzamiento en cuerpos receptores de agua.

• ·   Para iniciar un nuevo tramo de escurrimiento por gravedad.

Se utilizan en la captación cuando el nivel del cauce está situado a una cota inferior bien de forma permanente o intermitente cuando el nivel baja en algunas épocas del año. También se sitúan entre la planta potabilizadora y los depósitos de servicio y entre algunos tramos de las conducciones de distribución.

Elementos constitutivos de una estación de bombeo

Cualquier sistema de bombeo tiene 2 lados perfectamente identificados:

·         El lado de la “Succión”: comprende la parte de la tubería entre la válvula antiretorno y la boca de entrada de la bomba, en este lado no interviene la potencia de la bomba y la operación de llenado con el fluido de la cámara de la bomba es solo responsabilidad de la presión atmosférica local.

·         El lado de la “Impulsión”: está comprendida entre la salida de la bomba y la salida del agua por la parte distal de la instalación , el flujo en este lado es exclusivamente con la potencia de la bomba .

Generalmente las estaciones de bombeo constan de las siguientes partes:

• ·         Rejas.
• ·         Cámara de succión.
• ·         Las bombas propiamente dichas.
• ·         Línea de Impulsión.
• ·         Servicios auxiliares.
• ·         Dispositivos de protección contra el golpe de ariete.
• ·        Línea de alimentación de energía eléctrica o instalación para almacenamiento de combustible.
• ·         Sistema de monitoreo y telecomunicaciones.

La utilización de las mismas,

Se extiende en los diversos campos de la ingeniería, entre ellos: 

1. Las Redes de abastecimiento de agua potable, pues el uso de ellas es prácticamente indispensable, excepto en los casos de centros poblados que se encuentran cerca de las cadenas montañosas, que tienen manantiales situados a una cota mas elevada.

2. Las Redes de alcantarillado, en las ocasiones en que los centros poblados se encuentran ubicados en áreas planas, de modo que las alcantarillas, no se encuentren a profundidades que superen los 4 ó 5 metros. 

3. Los Sistemas de riego, lo que quiere decir que resultan ser imprescindibles, en caso de que el riego se realice con agua de pozos no artesianos.

4. Los Sistema de drenaje, se utilizan cuando la cota del terreno que se va a drenar, es inferior al recipiente en que se encuentran las aguas drenadas.

5. En un gran numero de plantas de tratamiento, no sólo de agua potable, sino también de aguas servidas, en el caso de que no se pueda contar con los desniveles necesarios en el terreno. 

6. Un gran número de plantas industriales. Usualmente las estaciones de bombeo, están compuestas por diversas partes, como son: •Las Rejas. •La Cámara de succión. •Las bombas propiamente dichas. •La Línea de impulsión. Así también como los servicios auxiliares, que a su vez cuentan con: •El sistema de monitoreo y de telecomunicaciones •Unos dispositivos de protección, contra el golpe de ariete. •La línea de alimentación de energía eléctrica o de instalación para el almacenamiento de los combustibles.

TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO

Se acostumbra clasificar las estaciones de bombeo para agua potable en  primarias y secundarias

Las estaciones primarias

Toman el agua de alguna fuente de Abastecimiento o de algún cárcamo, y la elevan a otro almacenamiento, al tratamiento, a la red directamente o a una combinación de ellas.

Las estaciones secundarias

Mejoran las condiciones de una primaria incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación primaria.

Tipos Básicos.

Las estaciones primarias pueden construirse básicamente de dos tipos:

 Estaciones de una cámara

Generalmente se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una sola cámara donde se tiene la entrada del agua, el almacenamiento necesario y los equipos de bombeo, antes mencionados.  

Dentro de los sistemas de bombeo se encuentran  dos tipos de succión:

·         SUCCION POSITIVA

·         SUCCION NEGATIVA

Estaciones de dos cámaras

Se consideran dos cámaras o cárcamos. En uno se tendrá la entrada del agua y un deposito que sirva para conectar la succión; en el otro, que se denomina cámara seca  se colocan los equipos de bombeo. La primera cámara puede no existir como tal, sino que puede ser simplemente una fuente natural.

IMAGEN 28.SISTEMAS DE BOMBEO DE SUCCIÓN POSITIVA.

                                                  

Succión Negativa

La cual se genera por las siguientes características

•  el nivel del líquido en el depósito que se va a bombear, está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba.

•  por lo tanto la cabeza estática de succión deberá de tener un valor negativo y menor de cero.“es succión negativa cuando el nivel del líquido a bombear está por debajo del centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión será menor de cero y con valor negativo”.

IMAGEN 29. SISTEMAS DE BOMBEO DE SUCCIÓN NEGATIVA.

BOMBAS CENTRIFUGAS 

Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira .Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

IMAGEN 30.BOMBA CENTRIFUGA.

BOMBAS CENTRIFUGA HORIZONTAL.

La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración. Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan del líquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje. Como no son auto aspirantes requieren, antes de su puesta en marcha, el estar cebadas; esto no es fácil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima del nivel del líquido, que es el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo necesarias las válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado. Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y económico; el desmontaje dela bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e Impulsión.

IMAGEN 31.BOMBA CENTRIFUGA HORIZONTAL

FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA.

Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos de que consta una instalación son:

a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración.

b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor, y va unido solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta la entrada del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o hermaneciendo axial, (en las axiales), acelerándose y absorbiendo un trabajo .Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, creando una altura dinámica de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad ,aumentando también su presión en el impulsor según la distancia aleje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación)

c) La voluta es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba .La voluta es también un transformador de energía, ya que frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete. En algunas bombas existe, a la salida del rodete, una corona directriz de álabes que guía el líquido antes de introducirlo en la voluta.

d) Una tubería de Impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba. Estos son, en general, los componentes de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación

Usos y aplicaciones de las bombas centrífugas

Dentro de las aplicaciones típicas que tienen las bombas centrifugas se incluyen:

• Líquidos de todas las viscosidades

• Procesos químicos

• Alimentos

• Lubricación a presión

• Pintura a presión

• Sistemas de enfriamiento

• Servicio de quemadores de aceite

• Manejos de grasa

• Gases licuados (propano, butano, amonio, freón, etc.)

• Entre otros

Es muy amplio y cada día se ensancha más. Esta gran amplitud de posibilidades de aplicación de este tipo de bombas se debe, como ya hemos señalado anteriormente, a varios factores, entre los que se destacan: su gran adaptabilidad a motores eléctricos de alta velocidad y a turbinas de vapor; el número mínimo de partes móviles que las componen, lo que hace que el desgaste sea pequeño; y el bajo costo y tamaño relativamente pequeño de la bomba, en relación con el volumen de líquido que puede manejar.

Lasbombas   centrífugas   resultan   elemento   indispensable   en   las   instalaciones   de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones industriales

TIPOS DE MONTAJES EN BOMBAS

Hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la presión o el gasto, 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.

Bombas en serie

Cuando se requiere elevar un dado caudal a alturas importantes, se pueden instalar rotores en serie puesto que sus curvas características se suman en el sentido del eje H. 

Un sistema en serie se reconoce debido a que la ubicación de las bombas se encuentra una tras otra a una determinada distancia.

IMAGEN 32.BOMBAS EN SERIE

BOMBAS EN PARALELO

Se disponen las bombas en paralelo cuando se requiere aumentar el caudal a elevar a una determinada altura

Un sistema en paralelo se reconoce por que las bombas se encuentran enfrentadas o no siguen una orientación una tras la otra a diferencia de  un sistema en serie

IMAGEN 33.BOMBAS EN PARALELO

CURVAS CARACTERÍSTICAS

El comportamiento hidráulico de una bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba.

Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionados por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N).

Curva de un sistema en serie

IMAGEN 34.CURVA CARACTERÍSTICA DE UN SISTEMA EN SERIE

Curva de un sistema en paralelo

IMAGEN 35.CURVA CARACTERÍSTICA DE UN SISTEMA EN PARALELO

Punto de operación de una bomba

IMAGEN 36. PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA

Curvas de Isoeficiencia

IMAGEN 37.CURVAS DE ISOEFICIENCIA

2) BOMBEO CONTRA LA RED. (Loraine Royett)

SISTEMAS DE PRESION CONSTANTE Son aquellos sistemas de bombeo en donde se suministra agua a una red de consumo, mediante unidades de bombeo que trabajan directamente contra una red cerrada. Los sistemas de bombeo a presión constante se clasifican en dos grupos principales, a saber: • Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad fija. • Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad variable.

• SISTEMA DE BOMBEO CONTRA RED CERRADA A VELOCIDAD FIJA.

Son aquellos sistemas en donde dos o más bombas trabajan en paralelo a una velocidad invariable para cubrir demandas de consumo instantáneo de la red servida. Un nombre más apropiado para estos sistemas sería el de SISTEMAS DE BOMBEO CONTINUO A VELOCIDAD FIJ A. A pesar de lo anteriormente expuesto, estos sistemas se convierten en SISTEMAS DE PRESION CONSTANTE con el uso de válvulas reguladoras, que son usadas cuando en la red se requiere en verdad, una presión uniforme. En estos sistemas el funcionamiento aditivo de las bombas se efectúa mediante los diferentes métodos de registrar la demanda en la red; lo cual sirve además para clasificarlos:

CON SENSOR DE PRESION (TANKLESS) En esto s sistema s el funcionamiento aditivo de las unidades de bombeo se accionan por señales recibidas de sensores de presión colocados en la red servida que encienden y apagan las bombas.

CON SENSOR DIFERENCIAL DE PRESION Estos tipos de sistemas incorporan una placa de orificio, tubo venturi, inserto corto o cualquier otro mecanismo medidor de caudal que acciona un preso stato diferencial para lograr un funcionamiento aditivo de las bombas.

CON MEDIDORES DE CAUDAL HIDRODINAMICOS (V2 /2g) Son sistema s que incorporan rotámetros, tubos pitops o cualquier otro medidor hidromecánico de velocidad. En ellos, determinada la velocidad se calcula el caudal por sección/velocidad; a este grupo específico pertenece el PACOMONITOR.

CON MEDIDORES DE CAUDAL ELECTROMAGNÉTICO Son sistema s que registran el caudal por medio de la inducción de un campo, producido por la velocidad de la masa de agua pasante, el medidor crea una resistencia que es registrada por un transductor que da las señales de encendido y apagado de las bombas.

·         SISTEMAS DE BOMBEO CONTRA RED CERRADA A VELOCIDAD VARIABLE

 Son aquellos sistemas en los cuales la unidad de bombeo varía su velocidad de funcionamiento en razón al caudal de demanda de la red, mediante el cambio de velocidad en el impulsor de la bomba que se logra de diferentes formas, las cuales sirven a su vez para clasificarlos en:

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTORES DE INDUCCION El motor es el denominado Tipo Escobillas y en él se usa un sensor de presión y/o caudal con un transductor que hace que el voltaje varíe en los secundarios y por ende varíe la velocidad de funcionamiento. 

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE RECTIFICADORES DE SILICON En este caso se usan motores normales en jaula de ardilla y un sensor electrónico de presión y/o caudal, que por intermedio de un transductor hace que el circuito rectificador de S.R.C. varíe el ciclo de la onda de C.A., variando por ende la velocidad de motor.

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTO-VARIADORES MECANICOS La velocidad de la bomba es regulada por un moto-variador que consta de un motor estándar acoplado a una caja variadora de velocidad, integrada por un juego de correas en " V " que corre sobre poleas de diámetro variable, accionándose el conjunto por un mecanismo electromecánico que recibe una señal de un sensor de presión y/o caudal.

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTO-VARIADORES ELECTRICOS En este tipo de sistemas se usa un variador electromagnético que consta generalmente de un motor de tipo jaula de ardilla, que mueve un electroimán que es excitado por una corriente secundaria de una intensidad proporcional a la presión y/o caudal registrados en la red que arrastra o no, a mayor o menor velocidad el lado accionado, donde generalmente se encuentra la unidad de bombeo.

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTO-VARIADORES HIDRÁULICOS Este consta generalmente, de un motor de tipo jaula de ardilla, que acciona un acoplamiento hidráulico, en donde un mecanismo hidráulico mecánico regula la velocidad de salida, (accionamiento de la bomba) en forma proporcional a la presión de la red, por medio de la cantidad de fluido que suministra el acople hidráulico.

Los mecanismos utilizados para registrar presión y/o caudal en este tipo de sistema son similares a los especificados para los sistemas a velocidad constante. En el caso de sistemas con más de una bomba, el funcionamiento aditivo se efectúa teniendo cuidado en bloquear la unidad en turno de funcionamiento a su velocidad máxima y variándola en la bomba que entra en servicio auxiliar, también se logra arrancando adicionalmente una bomba a velocidad fija y bajando al mínimo la velocidad en el variador.

En la práctica, los sistemas de velocidad variable se justifican solo en redes con amplios rangos de fluctuación de caudal y valores de fricción altos, ya que como en las bombas centrífugas la presión de descarga es razón cuadrática a la velocidad de funcionamiento, es muy poca, (5% o menos), la variación de velocidad y el posible ahorro de consumo eléctrico se diluyen en las pérdidas de rendimiento de los mecanismos variadores de velocidad, salvo en el caso de los rectificadores de silicón que parecen ser los más confiables y modernos en la actualidad; su aplicación solo está limitada por los altos costos de adquisición de sus componentes, aunque ya este tipo de variador es ampliamente usado en la industria, y cada día más se hacen más asequibles.

REDES INTERCONECTADAS.

      Cuando por razones topográficas las presiones de servicio en el sistema de distribución sean muy altas, resulta conveniente dividir la zona en varias redes por ejemplo: ejemplo alta, media y baja, las cuales pueden interconectarse mediante  válvulas  reguladoras  o reductoras de presión; o mediante tanquillas rompe carga, o bien separarlas con estanques de almacenamiento independientes. En casos de más de dos redes, resulta conveniente interconectar  las  redes  alternando  válvulas  reductoras  con  tanquillas  rompe-cargas.  La figura muestra un esquema de dos redes interconectadas mediante válvulas reguladoras de presión.

      Una vez hecha la distribución por tramos de los caudales medios de consumo, se procede  a definir la configuración de las redes y al estudio de los diversos casos de  análisis, atendiendo al tipo de sistema y a su funcionamiento.

.- REDES INCORPORADAS