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Proyecto realizado por el alumno: Jean TREHARD Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial EL DIRECTOR DEL PROYECTO Iñigo Sanz Fernández Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
Vº Bº del Coordinador de Proyectos José Ignacio Linares Hurtado
Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
ESTUDIO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA ESTACION DE BOMBEO DE AGUA POTABLE
Autor: Jean TREHARD Director: Iñigo Sanz Fernández
Madrid Julio 2011
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
Resumen del proyecto
ESTUDIO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA ESTACION DE BOMBEO DE AGUA POTABLE
Autor: Tréhard, Jean. Director: Sanz Fernández, Íñigo. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
El presente proyecto responde a una demanda (ficticia) de equipamiento de un edificio con una estación de bombeo de agua potable para su suministro a las viviendas. El conjunto está compuesto de 15 plantas de 4 pisos cada una con una piscina ubicada en la última planta con sus instalaciones de servicio. El edificio mide 60m de altura. Se implantará en la Comunidad Autónoma de Madrid, España.
En cuanto a la estación en si, está diseñada con el sistema de bombeo de tanque a tanque. La bomba está en seco y tiene conducción de aspiración con succión positiva. Es una bomba del catálogo de bomba de la empresa ABS. Aquella misma empresa responde a la demanda de equipamiento haciendo dos ofertas.
Partiendo con los datos y requerimientos del edificio, se sigue el método siguiente para lograr el objetivo final del proyecto. Primero, siguiendo el proceso de determinación del consumo de agua de la empresa Canal de Isabel II, con las dotaciones por viviendas se establece la demanda global. Analizando la evolución del consumo de agua en España y en particular en la Comunidad Autónoma de Madrid, se prevé un margen razonable para probables futuros cambios.
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Resumen del proyecto Considerando que la piscina que se instalará en el techo y se alimentará con la instalación de protección
contra incendios, solamente se tiene en cuenta el
consumo de diferentes equipos y servicios que acompañan la piscina.
A continuación se determinará el volumen útil del aljibe superior regulador del caudal. El volumen depende de dos factores, el número de arranques por hora en funcionamiento normal y el caudal de punta de consumo. Como, las posibilidades son múltiples, respetando el criterio de flexibilidad, se fijan dos tipos de instalaciones: -Una de capacidad minima para tener un volumen ocupado y un peso de equipos el menor posible en el edificio. Volumen: 950l. -Otra, de máximo rendimiento para tener un mínimo de pérdidas energéticas en el funcionamiento de las instalaciones. Volumen: 4800l.
Desarrollando los dos tipos de estaciones, se calculan los caudales de bombeo. La determinación del caudal se hace para que las estaciones siempre puedan prestar servicio de suministro de agua potable. El caudal de la estación de mínima capacidad es de 5,31l/s, y el de la estación de máximo rendimiento: 22,6 l/s.
Una vez obtenido el caudal, se dimensionan las tuberías en función de la velocidad del fluido. Así se puede calcular las pérdidas en las conducciones sabiendo el material de las mismas. También, influyen todos los aparatos en los cuales se producen pérdidas de carga tales como válvulas y otros equipos. En cada una de las estaciones propuestas, las pérdidas se han evaluado a 4,504m para la estación de rendimiento máximo y a 5,202m para la estación de mínima capacidad. Se nota la relevancia de la distinción entre las dos ofertas.
Con el punto de diseño, se elige las bombas adecuadamente. El catálogo de ABS ofrece para las dos ofertas la misma bomba pero equipada por motores eléctricos
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Resumen del proyecto asíncronos distintos. Esto viene del hecho que las curvas de las dos son muy parecidas. -La estación de mínima capacidad tiene una bomba NL 65250 absorbiendo 11,3kW debido a su bajo rendimiento, 34,2%. El motor asociado tiene una potencia nominal de 15kW y un rendimiento de 88,5%. -La estación de máximo rendimiento tiene la misma bomba NL 65250 pero absorbe 23,3kW a un rendimiento de 70,6%. El motor que la equipa tiene una potencia más alta: 30kW, funcionando también a mayor rendimiento: 92,3%.
La gestión de la estación se hace mediante un sistema automatizado. Para su buen funcionamiento, se recoge los elementos a controlar y se determinan los modos de automatización respectando a los criterios establecidos. Son: -la disponibilidad permanente de funcionamiento de cada bomba por separado, la de servicio y la de reserva. -el funcionamiento alternativo de las bombas. -el bombeo a caudal constante. -el tipo de arranque. -el suministro se hace según un sistema “pull”.
El proyecto permite dos alternativas para el equipamiento del edificio con el catálogo de bombas de la empresa ABS, según dos tipos de criterios distintos a fin de dejar al cliente final posibilidad de la elección de la estación que le convenga más.
La estación de mínima capacidad tiene un importe de 228 937,62€ frente a 268 091,93€ de la estación de máximo rendimiento. Un estudio de los costes llevado al presente de las dos alternativas (VAC) con una tasa de interés del 5%, demuestra que es la segunda opción la más interesante.
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Resumen del proyecto STUDY, DESIGN AND CONSTRUCTION OF A DRINKABLE WATER PUMPING STATION
This project responds to a demand (fictional) to equip a building with a pumping station for clean water supply to households. The set consists of 15 floors of 4 apartments each with a pool on the top floor including its service facilities. The building measures 60m in height. It will be implemented in the Autonomous Community of Madrid, Spain.
As for the station itself, it has been designed with the pumping system called from tank to tank. The pump is in dry well environment with a positive suction in the aspiration system. Pump is from a pumps catalog of ABS Company. That same company responds to the demand for equipment by making two tenders.
Starting with data and building requirements, it follows the following method to achieve the ultimate goal of the project. First, following the process of determining the water consumption of the company Canal de Isabel II, the global demand is established with housing consumption. Analyzing the evolution of water consumption in Spain and particularly in the Autonomous Community of Madrid, it provides a reasonable margin for likely future changes.
Considering that the pool installed above the ceiling will be supplied with the fire protection installation, it only takes into account the use of different equipment and services associated with the pool.
Then the useful volume has been determined for the flow control tank top. This volume depends on two factors, the number of starts per hour under normal operation conditions and peak flow of consumption. Like, there are many
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Resumen del proyecto possibilities; it has been set two types of facilities respecting the criteria of flexibility: -A minimum capacity tank for a minimum equipment volume and weight as small as possible in the building. Volume: 950 l. -Another one designed for a minimum of energy losses in device operation. Volume: 4800 l.
Developing these two types of stations, then pumping flow rates have been calculated. Flow determination is made that the stations can always serve clean water supply. The minimum capacity pumping station has a flow rate of 5.31 l/s, and the maximum performance station has a flow rate of 22.6 l/s.
The flow rate obtained, the pipes have been sized according to the fluid velocity. Then, losses in the lines knowing the same material have been determined. Also, affecting all devices in which there are head losses from devices such as valves and other equipment. In each of the proposed stations, losses have been evaluated at 4.504m for the maximum performance and 5.202m for the minimum capacity station. It is possible to note the importance of the distinction between the two offers.
With the operating point are chosen properly pumps. The ABS catalog offers for the two installations the same pump but equipped with different asynchronous electric motors. This comes from the fact that installation curves of the two offers are very similar. -The minimum capacity station has a pump NL 65250, absorbing 11.3 kW due to its low yield, 34.2%. The associated engine is rated at 15 kW with a yield of 88.5%.
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Resumen del proyecto -The maximum performance station has the same pump 65250 NL but it absorbs 23.3 kW at a rate of 70.6%. The engine employed has a higher nominal power: 30kW, its operating performance also increased till 92.3%.
Station management is done through an automated system. For its proper operation, it contains the elements to control and determine the methods of automation against the criteria established. They are: -The constant availability of each pumps operating separately, the service and backup. -The alternative operation of the pumps. -The constant flow pump. -Type starter. -It is supplied as a "pull" system.
The project allows two alternatives for equipping the building with the ABS Company pumps catalog, according to two different types of criteria in order to make possible for the final customer to choice what kind of station will meet his needs.
The station of minimal capacity has an amount of 228 937,62€ opposite to 268 091,93€ of the station of maximum performance(yield). A study of the costs reported to the present of both alternatives (VAC) with a rate of interest of 5 %, demonstrates that it is the second option the most interesting.
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ÍNDICE DE LA MEMORIA
Índice de la memoria Documento 1 Memoria .......................................................................................... 8 1.1 Memoria descriptiva ..................................................................................... 10 1.2 Cálculos .......................................................................................................... 87 1.3 Estudio económico ....................................................................................... 124 1.4 Anexos........................................................................................................... 133 Bibliografía......................................................................................................... 152
Documento 2 Planos .......................................................................................... 153 2.1 Lista de planos ............................................................................................. 155
Documento 3 Pliego de condiciones ................................................................. 157 3.1 Pliego de condiciones generales y económicas .......................................... 159 3.2 Pliego de condiciones técnicas y particulares............................................ 243 3. 3 Normativa citada ........................................................................................ 262
Documento 4 Presupuesto................................................................................. 280 4.1 Mediciones .................................................................................................... 282 4.2 Precios unitarios .......................................................................................... 286 4.3 Sumas parciales ........................................................................................... 290 4.4 Presupuesto general .................................................................................... 294
I
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ÍNDICE DE FIGURAS
Índice de figuras Figura 1. Sistema de bombeo de tanque a tanque extraída de las “Características y Dimensionamiento” de Wecker & Asociados
20
Figura 2. Esquema de la bomba (extraída de “Guías para el diseño de estaciones de bombeo de agua potable” de la organización Pan-América de la Salud)
22
Figura 3. Curva característica de las bombas (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
23
Figura 4. Curva característica de las instalaciones (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
23
Figura 5. Curvas características de una estación: bomba+ instalación (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
24
Figura 6. Curvas características de una estación: bomba+ instalación (creación propia en base figuras del manual para el proyectista de la empresa ABS).
25
Figura 7. Curvas características de una instalación con variación de la altura geodésica (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
26
Figura 8. Curvas características de una instalación con variación de las pérdidas de carga en la tubería (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
26
Figura 9. Foto de un rodete nuevo con uno similar después de haber funcionando bajo condiciones de cavitación (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
27
Figura 10. Esquema de potencias en una bomba (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
28
Figura 11. Esquema de una estación de bombeo con sistema tanque a tanque (creación propia en base a l folleto de Hidrostal).
30
Figura 12. Distribución del agua de la red pública de abastecimiento según sectores (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
33
Figura 13. Volumen de Agua distribuida a los hogares (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
II
34
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 14. Consumo medio por habitante y día (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
34
Figura 15. Consumo de agua por hogar y por año (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente). Figura 16. Definición rugosidad (extraída del manual para el proyectista de ABS).
35 45
Figura 17. Bombas de marca ABS en cámara seca (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
47
Figura 18. Tipos de uniones para tubos de material PE (extraída de las normas para Redes de Reutilización del Canal de Isabel II).
48
Figura 19. Detalle interno una bomba de marca ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
51
Figura 20. Tipos de rodetes (extraída del manual del proyectista de ABS)
52
Figura 21. Tipos instalación de las bombas de marca ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
54
Figura 22. Distribución de presiones en una bomba (extraída del manual del proyectista de ABS)
60
Figura 23. Sumergencia (extraída del manual del proyectista de ABS)
62
Figura 24.Regulador por burbuja de aire (extraída del manual del proyectista de ABS)
64
Figura 25. Transductor ultrasónico (extraída del manual del proyectista de ABS)
64
Figura 26. Autómata ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
66
Figura 27. Válvulas de retención (extraída del manual del proyectista de ABS)
67
Figura 28. Válvula de compuerta plana (extraída del manual del proyectista de ABS)
68
Figura 29. Consumo de agua potable del edificio en periodos normales
73
Figura 30. Número de arranques en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
74
Figura 31. Caudal de consumo en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
75
Figura 32. Volumen del aljibe superior al final de cada hora en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
76
Figura 33. Número de arranques en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
77
III
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 34. Caudal de consumo en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
78
Figura 35. Volumen del aljibe superior al final de cada hora en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
78
Figura 36. Número de arranques en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
80
Figura 37. Caudal de consumo en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
80
Figura 38. Repartición del consumo del agua en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
81
Figura 39. Comparativo de los volúmenes de agua de los dos tipos de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
81
Figura 40. Comparativo de los números de arranques de los dos tipos de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
82
Figura 41. Número de arranques en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
83
Figura 42. Caudal de consumo en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
84
Figura 43. Repartición del consumo del agua en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
84
Figura 44. Comparativo de los volúmenes de agua de los dos tipos de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento
85
Figura 45. Comparativo de los números de arranques de los dos tipos de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento
85
Figura 46. Gráfica Volumen del aljibe superior
97
Figura 47. Gráfica Caudal de bombeo pequeño aljibe
99
Figura 48. Gráfica Caudal de bombeo gran aljibe
100
Figura 49. Gráfica VAC, k=5%
131
Figura 50. Gráfica VAC, k=7,5%
132
Figura 51. Gráfica VAC, k=12,5%
132
IV
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ÍNDICE DE FIGURAS
Índice de tablas Tabla 1: tabla de magnitudes del Sistema SI
14
Tabla 2: tabla de símbolos y unidades utilizadas en el proyecto
15
Tabla 3: tabla extraída de:”Normas para el abastecimiento de agua” (revisión 2004) de la empresa Canal de Isabel II
16
Tabla 4: Rugosidad (extraída del Manual del proyectista de ABS)
45
Tabla 5: tabla de resultados diámetros de tubería para la estación de máximo rendimiento
50
Tabla 6: tabla de resultados diámetros de tubería para la estación de mínima rendimiento
51
Tabla 7: Secuencia de arranque de las bombas
65
Tabla 8: Datos de la simulación de la estación de mínima capacidad
73
Tabla 9: Datos de la simulación de la estación de máximo rendimiento
77
Tabla 10: Datos de la piscina
79
Tabla 11: Caudales de relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
79
Tabla 12: Tabla de resultados simulación de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
82
Tabla 13: Tiempo de relleno de la piscina con la estación de mínima capacidad
83
Tabla 14: Caudales de relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
83
Tabla 15: Tabla de resultados simulación de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento
86
Tabla 16: Tiempo de relleno de la piscina con la estación de máximo rendimiento
86
Tabla 17: Tabla de las dotaciones especificas (extraída de las normas para el abastecimiento de agua de Canal de Isabel II)
92
Tabla 18: Tabla resumen de los datos del edificio
93
Tabla 19: Tabla de datos de la piscina y caudal de reposición
93
Tabla 20: Tabla resumen de los resultados del caudal de consumo
93
Tabla 21. Tabla resumen del caudal total de consumo
93
V
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ÍNDICE DE FIGURAS Tabla 22: Tabla arranques por hora (extraída de las normas para el abastecimiento de agua de Canal de Isabel II)
94
Tabla 23: Tabla volumen del aljibe superior
96
Tabla 24: Tabla volumen del aljibe superior resultado
97
Tabla 25: Tabla volumen del aljibe superior resultado resumido
98
Tabla 26: Tabla diámetro tubería en función de la velocidad
101
Tabla 27: Tensión mínima requerida, Valores de aplicación de las Series de los números de Renard (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
104
Tabla 28: Clasificación de los tubos de PE de pared lisa (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
105
Tabla 29: Características mecánicas del Polietileno PE100 (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
106
Tabla 30: PFA en función de PN en los tubos de PE, a 20°C y FC de PN para T>20°C (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
107
Tabla 31: Dimensiones de los tubos de PE para aplicaciones bajo presión hidráulica interior (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
108
Tabla 32: Resultado de tubería para la estación de mínima capacidad
109
Tabla 33: Resultado de tubería para la estación de máximo rendimiento
109
Tabla 34: Tabal de datos para cálculos de pérdidas de carga
110
Tabla 35: Presión de vapor del agua desde 0°C a 49°C (extraída del manual del proyectista de ABS)
113
Tabla 36: Resultados NPSHd, estación de mínima capacidad
115
Tabla 37: Resultados NPSHd, estación de máximo rendimiento
116
Tabla 38: Resultados NPSHd, resumen
116
Tabla 39: Volumen del modulo de elasticidad de las tuberías en función del material constitutivo
118
Tabla 40: Resultado espesor, estación de mínima capacidad
119
Tabla 41: Resultado espesor, estación de máximo rendimiento
120
VI
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ÍNDICE DE FIGURAS Tabla 42: Resultado volumen pozo de bombeo, proyecto
123
Tabla 43: Resultado VAC, estación de mínima capacidad
129
Tabla 44: Resultado VAC, estación de máximo rendimiento
130
Tabla 45: Control de calidad de tubos y piezas especiales de fundición dúctil (UNE-UN 545 2007)
253
Tabla 46: Control de calidad de tubos y piezas especiales de PVC-O (ISO 16.422:2006)
253
Tabla 47: Control de calidad de tubos y piezas especiales de PE (UNE-UN 13.244 2003)
254
Tabla 48: Ensayos recomendados s/m3 o mL de Zanja en camas de apoyos y rellenos (extraída de las normas para Redes de Reutilización del Canal de Isabel II)
256
Tabla 49: Módulo de elasticidad del material de la tubería, en MPa (extraída de las normas para Redes de Reutilización del Canal de Isabel II)
259
Tabla 50: Valores de µ para tubería de PE100, SDR 11, S5, de pared lisa (UNE-UN 13.244:2003)
259
Tabla 51: Mediciones estación de mínima capacidad
284
Tabla 52: Mediciones estación de máximo rendimiento
285
Tabla 53: Precios unitarios estación de mínima capacidad
288
Tabla 54: Precios unitarios estación de máximo rendimiento
289
Tabla 55: Sumas parciales estación de mínima capacidad
292
Tabla 56: Sumas parciales estación de máximo
293
Tabla 57: Presupuesto general estación de mínima capacidad
296
Tabla 58: Presupuesto general estación de máximo rendimiento
297
VII
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Documento 1 Memoria
DOCUMENTO 1 MEMORIA
8
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
Documento 1 Memoria
DOCUMENTO 1 MEMORIA Índice General 1.1 Memoria descriptiva
10
1.2 Cálculos
87
1.3 Estudio económico
124
1.4 Anexos
133
Bibliografía
152
9
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Documento 1 Memoria
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA
10
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Memoria descriptiva
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA Índice General 1.1.0 NOMENCLATURA
14
1.1.1 DEFINICIONES
16
1.1.2 GENERALIDADES DE LA TÉCNICA DE BOMBEO
19
1.1.2.1 SISTEMA DE BOMBEO DE TANQUE A TANQUE
19
1.1.2.2 CONSIDERACIONES DE ORDEN GENERAL PARA LOS CÁLCULOS
21
1.1.2.3 CURVAS CARACTERÍSTICAS
22
1.1.2.4 ADAPTACIÓN DEL PUNTO DE FUNCIONAMIENTO
24
1.1.2.5 CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
27
1.1.2.6 POTENCIA REQUERIDA POR LA BOMBA
28
1.1.3 INTRODUCCIÓN Y REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
29
1.1.4 ESTUDIO DEL CONSUMO DE AGUA
31
1.1.4.1 ESTUDIO DEL CONSUMO DIARIO
31
1.1.4.2 PREVISIÓN DE LOS CONSUMOS FUTUROS
33
1.1.5 ALJIBE SUPERIOR DE LA INSTALACIÓN 1.1.5.1 EXPLICACIÓN DEL CÁLCULO
36 36
1.1.5.1.1 Número máximo de arranques por hora
37
1.1.5.1.2 Caudal de consumo
37
1.1.5.1.3 Tiempo mínimo de bombeo de la bomba empleada
37
1.1.5.2 ALTERNATIVAS
38
1.1.5.2.1 Estación de mínima capacidad
38
1.1.5.2.2 Estación de máximo rendimiento
39
1.1.6 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE BOMBEO
40
1.1.6.1 CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓN
40
1.1.6.2 ALTERNATIVAS
40
1.1.6.2.1 Estación de mínima capacidad
11
41
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Memoria descriptiva 1.1.6.2.2 Estación máximo rendimiento 1.1.7 DETERMINACIÓN DE LA TUBERÍA
41 42
1.1.7.1 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA
42
1.1.7.1.1 Velocidad en las conducciones
42
1.1.7.1.2 Materiales
43
1.1.7.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍA
44
1.1.7.3 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS Y PIEZAS ESPECIALES
46
1.1.7.4 ESPESOR DE LA TUBERÍA
47
1.1.7.5 UNIONES
47
1.1.7.6 ALTERNATIVAS
50
1.1.7.6.1 Estación de mínima capacidad
50
1.1.7.6.2 Estación de máximo rendimiento
51
1.1.8 DETERMINACIÓN DE LAS BOMBAS
51
1.1.8.1 NÚMERO DE BOMBAS
52
1.1.8.2 TIPO DE BOMBAS
52
1.1.8.3 FORMA DE MONTAJE
53
1.1.8.4 TIPO DE ARRANQUE
55
1.1.8.5 RESULTADOS
55
1.1.8.5.1 Estación de mínima capacidad
55
1.1.8.5.2 Estación de máximo rendimiento
56
1.1.9 DETERMINACIÓN DEL POZO DE BOMBEO
57
1.1.9.1 USO DEL POZO DE BOMBEO
57
1.1.9.2 ALTERNATIVAS
58
1.1.9.2.1 Estación de mínima capacidad
58
1.1.9.2.2 Estación de máximo rendimiento
58
1.1.9.2.3 Nota para ampliaciones futuras
58
1.1.10 CAVITACIÓN
59
1.1.10.1 ORIGEN DEL PROCESO
59
1.1.10.2 PREDICCIÓN DEL PROCESO
60
1.1.10.3 FENÓMENOS ASOCIADOS
61
1.1.10.3.1 Turbulencias en la tubería de aspiración
61
1.1.10.3.2 Sumergencia
61
12
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Memoria descriptiva 1.1.10.4 RESULTADOS
62
1.1.10.4.1 Estación de mínima capacidad
62
1.1.10.4.2 Estación de máximo rendimiento
62
1.1.11 EL CONTROL DEL BOMBEO
63
1.1.11.1 EL AUTOMATISMO
63
1.1.11.2 TELEMETRÍA
65
1.1.11.3 VÁLVULAS
66
1.1.11.3.1 Válvulas de retención
66
1.1.11.3.2 Válvulas de corte
67
1.1.11.3.3 Purgas de aire
68
1.1.11.3.4 Manómetros
68
1.1.11.3.5 Carretes de desmontaje
69
1.1.11.4 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO
69
1.1.11.4.1 Pozo de bombeo
69
1.1.11.4.2 Bombas
69
1.1.11.5 ALTERNATIVAS
70
1.1.11.5.1 Estación de mínima capacidad
70
1.1.11.5.2 Estación de máximo rendimiento
70
1.1.12 GOLPE DE ARIETE
71
1.1.13 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES
72
1.1.13.1 FUNCIONAMIENTO EN PERIODOS NORMALES
72
1.1.13.1.1 Estación de mínima capacidad
73
1.1.13.1.2 Estación de máximo rendimiento
76
1.1.13.2 FUNCIONAMIENTO CON RELLENO DE LA PISCINA
79
1.1.13.2.1 Estación de mínima capacidad
79
1.1.13.2.2 Estación de máximo rendimiento
83
1.1.13.3 CONCLUSIÓN
86
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Memoria descriptiva
1.1.0 NOMENCLATURA
Las magnitudes se considerarán en el sistema internacional (SI).
Con respecto al Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre, por el que se establecen las Unidades Legales de Medida, el Sistema Legal de Unidades de Medida Obligatorio en España es el sistema métrico decimal de siete unidades básicas, denominado Sistema Internacional de Unidades (SI), adoptado por la Conferencia General de Pesas y Medidas y vigente en la Comunidad Económica Europea.
Son unidades básicas del sistema internacional con otras del cual derivan, las siguientes: Magnitud
Símbolo
Unidad
Longitud
l
m
Masa
m
kg
Tiempo
t
s
Superficie
S
m²
Volumen
V
m³
Velocidad
v
m/s
Aceleración
α
m/s²
Fuerza
F
N
Presión
p
Pa
Potencia
P
W
Energía
E
J
Densidad
ρ
kg/dm³
Tabla 1: tabla de magnitudes del Sistema SI
Son los conceptos y símbolos con unidades respectivas que se van a emplear en el presente proyecto de diseño de estación de bombeo, las siguientes:
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Memoria descriptiva Concepto
Símbolo
Unidad
Aceleración de la gravedad
g = 9,81
m/s²
Altitud o cota de altura
z
M
Altura de vertido
Hu
M
Altura en general
H
M
Altura geométrica
Hgeo
M
Caudal
Q
l/s, m³/h
Coeficiente de resistencia
ζ
Coeficiente de rozamiento
λ
Coeficiente de rugosidad
k
Mm
Diámetro nominal
DN
Mm
Frecuencia
f
Hz
Intensidad eléctrica
I
A
N° de Reynolds
Re
NPSH bomba o necesario
NPSH R
M
NPSH instalación o disponible
NPSH A
M
Número de arranques por hora
Z
1/h
Número de pares de polos
p
Número de revoluciones
n
Rpm
Pérdidas de carga
Hv
M
Potencia absorbida de la red
P1
kW
Potencia condensador de compensación
K
kVAr
Potencia en el eje
P2
kW
Potencia hidráulica
P3
kW
Rendimiento de la bomba
η
%
Rendimiento del motor
ηm
%
Tensión eléctrica
U
V
Viscosidad cinemática del líquido
ν
m²/s
Tabla 2: tabla de símbolos y unidades utilizadas en el proyecto
Para facilitar la utilización de las diferentes unidades de presión, se presenta a continuación una tabla de conversión a de varias unidades.
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Memoria descriptiva
Tabla 3: tabla extraída de:”Normas para el abastecimiento de agua” (revisión 2004) de la empresa Canal de Isabel II
1.1.1 DEFINICIONES
Este artículo presenta lo que es una estación de bombeo tanto como las definiciones de carácter general para fijar un lenguaje común entre el lector y el proyectista.
• Red pública de distribución: Es la red de distribución de la empresa suministradora de agua potable que entregará el agua a la estación de bombeo. En la comunidad autónoma de Madrid es la empresa pública Canal de Isabel II.
• Bomba de reserva: Es aquella bombea cuya presencia es obligada por la ley en las estaciones de bombeo de agua potable. Entonces su empleo se prevé exclusivamente en caso de avería de la bomba de servicio. El funcionamiento de control puede hacer funcionar la bomba de servicio alternativamente con la bomba de servicio. Pero nunca las dos a la vez.
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Memoria descriptiva • Depósito regulador o Aljibe superior: Es el tanque ubicado en el techo del edificio que sirve de regulador de caudal entre el caudal que entra, el bombeado, y el que sale, el del consumo del edificio.
• Elemento de maniobra y control: Es cualquier elemento que se puede controlar por un sistema automático adecuado. Pueden ser: Motores de las bombas, válvulas de todo tipo (de seccionamiento, de aeración, de control, de seguridad…)
• Estación de bombeo: Es el conjunto de instalaciones y equipos actuadores y los de control que permiten el cumplimiento de la función de bombeo de agua desde el suministro hasta la red de distribución.
• Golpe de ariete: Fenómeno de variaciones de presiones debido a cambios de velocidades rápidos durante el funcionamiento en una instalación hidráulica. Al pasar una onda de velocidad provoca unas variaciones de presión dinámica. La onda se amortigua con las pérdidas internas del sistema en intervalos cortos de tiempo.
• Pozo de bombeo / de recolección o tanque inferior: Instalación del tipo tanque, es el pozo al cual está suministrada el agua de la red de pública de distribución y del cual está bombeado el agua al aljibe superior.
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Memoria descriptiva • El liquido a elevar: Las características del líquido a elevar influyen directamente sobre el diseño del rodete de la bomba. Son la construcción, la forma de trabajo y los materiales que dependen del comportamiento químico, físico del fluido. En ese proyecto es agua limpia para consumo humano. Esas características se han de cumplir los requisitos legales vigentes.
• Caudal de consumo: El caudal de consumo es el volumen de agua consumido en las viviendas del edificio por unidad de tiempo.
• Caudal de bombeo: El caudal de bombeo es el volumen de agua suministrado por la bomba el depósito regulador por unidad de tiempo.
• Diámetro Nominal: Designación numérica del diámetro de un componente mediante un número entero aproximadamente igual a la dimensión real en milímetros. Se aplica tanto al diámetro interior (DN/ID) como al diámetro exterior (DN/OD), según las Normas del producto.
• Tubería de impulsión: Es el conjunto de tubos y piezas especiales que componen el canal de conducción del agua desde la salida de la bomba hasta el depósito regulador.
• Tubería de succión: Es el conjunto de tubos y piezas especiales que componen el canal de conducción del agua desde el pozo de bombeo hasta la entrada de la bomba.
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Memoria descriptiva • Altura de elevación: Es una cuota en metro que refleja una presión. Tiene varios componentes. -La altura geométrica es la que representa la diferencia de altura real entre los dos niveles de agua que son el del pozo de bombeo y el del depósito regulador. Tiene otros componentes variables. -La diferencia de presión entre los dos tanques, en el que caso de este proyecto serán las mismas, la atmosférica. -La componente dinámica depende de las velocidades del fluido pues del caudal. -También tiene pérdidas debidas a rozamiento del fluido en las conducciones.
La bomba deba dar la altura correspondiente a la instalación. Como se ha visto, esa altura tiene componentes que dependen de la velocidad pues en función del caudal la instalación necesitara más o menos altura. Así se obtiene una curva, la curva característica de la instalación.
1.1.2 GENERALIDADES DE LA TÉCNICA DE BOMBEO
1.1.2.1
SISTEMA DE BOMBEO DE TANQUE A TANQUE
El sistema de bombeo de tanque a tanque consiste principalmente en una estación compuesta de dos tanques, uno del cual se bombea y otro arriba del edificio que recibe esta agua mediante la acción de unos equipos de bombeo.
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Memoria descriptiva
Figura 1. Sistema de bombeo de tanque a tanque extraída de las “Características y Dimensionamiento” de Wecker & Asociados
Del aljibe superior salen tuberías que componen la red de distribución para cada planta y piso. La acometida de cada piso se hace de tal manera que haya suficientemente presión. El suministro se hace entonces por gravedad pero para cada piso se requiere el estudio de las presiones. En efecto, la presión en cada uno de los piso dependerá principalmente de la altura geométrica entre el piso en cuestión y el aljibe. Pues puede que sea demasiado pequeña o grande. En los casos correspondientes, se añadirán grupos de elevación de altura o de reducción de la misma.
El tanque inferior o pozo de bombeo puede ser de varios tipos, superficial, semisubterráneo o subterráneo en el que se almacenará el agua suministrada de la red pública y se mantendrá a un nivel constante de agua para el buen funcionamiento de la estación. A fin de evitar un almacenamiento excesivo de agua que provocaría problemas de calidad del agua suministrada, se reduce el
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Memoria descriptiva volumen de ese tanque al mínimo posible. El nivel tiene que ser constante para simplificar el sistema de control y dar la posibilidad de a las bombas de arrancar en cuanto sea necesario.
El número mínimo de bombas está impuesto por normas. Deben ser dos, una de servicio y otra de reserva. Para no tener una que no funciona mientras la otra funciona hasta que tenga una avería, pueden funcionar alternativamente. Pero la estación se ha de estar diseñada como si no hubiera bomba de reserva.
1.1.2.2
CONSIDERACIONES
DE
ORDEN
GENERAL
PARA
LOS
CÁLCULOS
El diseño de una estación de bombeo tanque a tanque necesita el cálculo del caudal de bombeo y de la altura total. Sin embargo, se necesita que se estén fijados o coordinados algunos parámetros.
• La tubería de bombeo entre el estanque bajo y el elevado deberá ser independiente de la tubería de distribución en el edificio. • Las bombas estarán instaladas en seco porque no hay que corresponden con el catálogo de bombas de la empresa ABS para instalaciones sumergidas. • La instalación será diseñada de tal manera que la tubería de aspiración tendrá succión positiva. La ventaja es que reduce los riesgos que haya cavitación, además la instalación ocupa menos espacio siendo en la misma planta.
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Memoria descriptiva
Figura 2. Esquema de la bomba (extraída de “Guías para el diseño de estaciones de bombeo de agua potable” de la organización Pan-América de la Salud)
• La selección de los equipos se hará en base a sus propias curvas características.
1.1.2.3
CURVAS CARACTERÍSTICAS
El funcionamiento de una estación de bombeo es el resultado de la acción conjunta de una bomba y de una instalación.
En cuanto a la bomba, se habla de curva característica de la bomba que refleja su comportamiento frente a niveles de caudal. El máximo se llama capacidad de transporte, mediante el cierre un dispositivo de bloqueo se obtiene todos los puntos de dicha curva bajando el caudal hasta el punto de caudal nulo.
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Memoria descriptiva
Figura 3. Curva característica de las bombas (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
Las instalaciones tienen otra curva que se opone a la de las bombas. Este describe el comportamiento de hidráulico de las conducciones. Está compuesta de la diferencia de altura geométrica y de las pérdidas internas de las conducciones. La altura geométrica varía con las diferencias de niveles de agua de los tanques. En lo que son las pérdidas, aumentan con el caudal y dependen del diámetro de la tubería, longitud, del estado, del tipo y número de piezas especiales, del material y también del fluido a elevar.
Figura 4. Curva característica de las instalaciones (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
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Memoria descriptiva Una vez determinada las dos curvas o ecuaciones, igualándolas se obtiene el punto de funcionamiento de la instalación.
Figura 5. Curvas características de una estación: bomba+ instalación (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
1.1.2.4
ADAPTACIÓN DEL PUNTO DE FUNCIONAMIENTO
En la práctica, el punto de funcionamiento puede no coincidir exactamente con el previsto. Puede deberse a inexactitudes en el cálculo de tuberías o a indeterminaciones acerca de su comportamiento. También, a veces durante las obras por varias razones las conducciones no son las que preveían.
Las consecuencias en el funcionamiento dependerán principalmente de la forma general de la curva característica de la instalación y del tipo de cambio que se le aplica. Al final, será una variación del caudal. Lo cual, si aumenta demasiado, se producirá fenómenos de cavitación en la aspiración. Estos fenómenos, no son deseables, por desgastar el material de los equipos de bombeo. Será menester, en el caso de tener una curva plana, diseñar la instalación para que no haya cavitación en el peor de los casos. Por ejemplo, con niveles de agua en los
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Memoria descriptiva depósitos bajos y tubos en la aspiración con malas superficies, pues se produciría cavitación si no fueran bien dimensionados los equipos de bombeo.
Figura 6. Curvas características de una estación: bomba+ instalación (creación propia en base figuras del manual para el proyectista de la empresa ABS).
Por lo general, las bombas no trabajan en un único punto de funcionamiento, sino en una zona en la cual todos los puntos de la curva característica puedan darse en un funcionamiento dado. En el caso de ese proyecto, se puede producir por variaciones de altura geométrica así que a cambios que afectarían al comportamiento hidráulico de la instalación. En caso de que haya varias bombas acopladas, bien en serie bien en paralelo, en la misma instalación, se necesitará tener en cuenta los efectos de simultaneidad entre sí de las bombas.
En el caso de ese proyecto la razón por la cual se producirá variaciones de altura geométrica son cambios de niveles en los depósitos como se muestra a continuación.
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Memoria descriptiva
Figura 7. Curvas características de una instalación con variación de la altura geodésica (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
Por otra parte, cambios en las condiciones hidráulicas de las conducciones no tendrán los mismos efectos en la curva característica de la instalación. El agua elevada es de calidad para el consumo humano, entonces parece poco probable que se produzca reacciones químicas que deteriorarían las superficies por ser líquido neutro. En cambio, si ocurren fenómenos de cavitación, los efectos podrán ser muy indeseables en cuanto a las superficies tanto como para la calidad del agua.
Figura 8. Curvas características de una instalación con variación de las pérdidas de carga en la tubería (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
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Memoria descriptiva
1.1.2.5
CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
Como ya ha sido comentado en los apartados anteriores, un punto de mayor importancia en las instalaciones de bombeo, es la cavitación.
La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de su presión de vapor.
Al tener velocidades del fluido altas por varias razones, tal como una reducción de sección, bien por tener un sistema de succión negativa o muchas perdidas en la tubería de aspiración, aplicando la ecuación de Bernouilli, tiene que ocurrir que la presión disminuye cuando y donde haya estas situaciones. Teóricamente, la presión no puede ser más pequeña que su presión de saturación a la temperatura en que se encuentra el fluido.
Si en una cierta zona, la presión disminuye lo suficiente como para alcanzar ese valor, aparecen burbujas de vapor que actúan como proyectiles sobre los equipos. Lo cual provoca un deterioro acelerado del aparato empleado, mas la nueva composición del fluido, emulsión de líquido y vapor, reduce el caudal másico y también el rendimiento de la máquina.
Figura 9. Foto de un rodete nuevo con uno similar después de haber funcionando bajo condiciones de cavitación (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
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Memoria descriptiva Cuando la corriente en un punto de un a estructura o de una máquina alcanza un a presión inferior a la presión de vapor correspondiente a las condiciones, el líquido se evapora y se originan en el interior del fluido cavidades de vapor. Estas cavidades y burbujas de vapor arrastradas por la corriente llegan a zonas de altas presiones. Entonces se condensan a su vez se produce una elevación local de presión que puede sobrepasar los 1000 bar (las burbujas implosionan produciendo una ondas de presión muy grandes). Estas zonas de altos gradientes de presión precipitan las burbujas en su entorno provocando todavía más degradaciones.
1.1.2.6
POTENCIA REQUERIDA POR LA BOMBA
Figura 10. Esquema de potencias en una bomba (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
La elevación de agua necesita un aporte de energía. La cual se hace por medio de diferentes tipos de potencias.
La potencia de aporte es eléctrica, por el motor eléctrico se convierte en potencia mecánica suministrando energía al fluido por el rodete obteniendo así potencia hidráulica.
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Memoria descriptiva Estos cambios se hacen con tecnologías que tienen perdidas, dando un cierto rendimiento en función de cómo de bien están diseñadas.
Se llamará P1 la potencia eléctrica, P2 la potencia en el eje y P3 la a la salida de la bomba. Siendo η el rendimiento de la bomba y ηm el del motor.
1.1.3 INTRODUCCIÓN Y REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
Antes de empezar es menester determinar el objetivo, es decir lo que se quiere y lo que no. Entonces, para definir la estación de bombeo de agua potable, se va a determinar qué uso tendrá esa agua además de definir qué cantidad de agua se necesita por periodo de tiempo.
El criterio que se sigue para determinar cómo se va a tomar las decisiones es el siguiente: la flexibilidad del sistema. La razón es sencilla, para tener un edificio adaptable en función de la vida que va a tener, que no es previsible a largo plazo. Entonces es interesante para el propietario poder adaptar en el futuro su instalación sin demasiadas inversiones de adaptación de dicha estación de bombeo.
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Memoria descriptiva
Figura 11. Esquema de una estación de bombeo con sistema tanque a tanque (creación propia en base a l folleto de Hidrostal).
Luego si se presentan varias opciones que respeten a este criterio, se desarrollarán cada una para dejar al cliente la libertad de su decisión final en función de sus exigencias, recursos y capacidades.
Primero, se recoge a continuación los usos básicos de agua de cualquier edificio habitable. -El consumo doméstico: recoge todo lo que es consumo directo de agua potable en viviendas por el usuario. -El consumo de agua caliente. -El agua consumido por el sistema de calefacción del edificio. -El agua consumido para humectación en climatización. -El agua consumido por instalaciones extras tal como piscina por ejemplo. De esos consumos se puede usar diferentes equipos que necesitarán agua o no. En el caso en el que se necesite agua, en función de donde se puede recuperar el agua,
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Memoria descriptiva se tendrá en cuenta o no para los cálculos de dimensionamiento de la estación de bombeo. De hecho, para ciertos usos, protección contra incendios por ejemplo, hay instalaciones aparte.
En segundo lugar, se trata de saber qué cantidad de agua se consumirá en el edificio. Eso depende del tamaño del edificio. Aquí se pone un límite de manera arbitraria. En ese proyecto se quiere dimensionar una estación para edificios residenciales del tipo que se encuentra en el centro de la ciudad.
El edificio tendrá estas características: -superficie por piso: 200m² -número de pisos por planta: 4 -número de plantas: 15 -una piscina de 10m por 25m con sus instalaciones de servicios.
Al final, cuando el sistema estará diseñado, se calculará el caudal máximo para determinar la capacidad límite de la instalación. Así podremos determinar, el tiempo de relleno de la piscina además de la disponibilidad de carga en caudal para posibles añadidos de materiales que consumen agua.
1.1.4 ESTUDIO DEL CONSUMO DE AGUA
1.1.4.1
ESTUDIO DEL CONSUMO DIARIO
Para prever el funcionamiento de las bombas, se necesita estudiar precisamente el comportamiento del caudal, es decir, las variaciones diarias del caudal. Efectivamente es necesario que se sepa para conocer el número de arranques al
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Memoria descriptiva día que van a sufrir las bombas así que los tiempos de funcionamiento para prever el envejecimiento.
En un primer tiempo, se ha hecho una evaluación cuantitativa de las variaciones en la demanda doméstica en agua a lo largo de un día. Para ello, se ha respetado el valor del caudal medio y el del caudal punto que son los únicos límites dadas por las normas de la empresa Canal de Isabel II.
Para la realización de esa estimación se han hecho dos tipos de hipótesis, un tipo sobre los niveles de consumo y otra sobre los cambios intermedios de consumos.
Las hipótesis hechas para los niveles de consumos son las siguientes: -un consumo bajo durante la noche -una punta de demanda a la hora de despertarse -un consumo un poco más bajo que la media durante la mañana -una secunda punta a la hora de comer a medio día -un consumo un poco más bajo que la media durante la tarde -una última punta al empezar la noche
La otra hipótesis para estimar los cambios entre niveles de consumo es que se suponen en la medida de lo razonable como continuos.
Esa secunda hipótesis se justifica por el hecho de que se considere como media las horas de presencia en casa de los habitantes y entonces no todos consumen en un mismo tiempo pero si más o menos a la misma hora.
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Memoria descriptiva
1.1.4.2
PREVISIÓN DE LOS CONSUMOS FUTUROS
En los análisis del Instituto Nacional de Estadística está notado en los informes que la demanda de agua de los hogares baja cada año desde algunos años ya. Entonces los cálculos se hacen con los consumos actuales sin añadir coeficientes para anticipaciones ni de aumento ni de baja de consumo de agua.
En el último informe, Perfil Ambiental de España 2009, del Ministerio de Medio Ambiente Español del año 2009 publicado en enero 2011 está precisado en dos partes distintas de dicho documento los consumos de los hogares Españoles.
Primero en la parte del informe sobre el consumo de agua en España, de donde se ha sacado la grafica siguiente.
Figura 12. Distribución del agua de la red pública de abastecimiento según sectores (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
Segundo, en la parte del informe que trata de los consumos de los hogares españoles, se dan más detalles sobre el consumo de agua.
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Memoria descriptiva A continuación, se comenta las variaciones del consumo con respeto al informe del Ministerio del Medio Ambiente.
En el 2007, el volumen de agua distribuida al conjunto de los hogares disminuyó de un 2,7% en relación con el año anterior, correspondiendo a cada hogar a 156m3 anuales frente a los 168m3 del año 2006. En la gráfica siguiente se presenta el consumo de los hogares, se nota una disminución de aquello. Esto se debe al aumento de número de hogares que fue de un 2,8% en 2007 en relación con 2006. Al final, el consumo medio por hogar y año se situó en 156,2m3, con una disminución del 7% frente a los 168m3 del año anterior.
Figura 13. Volumen de Agua distribuida a los hogares (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
El consumo medio por habitante y día (157 litros) disminuyó en el 2007 de un 4,3% en relación con el año anterior. Como se puede observar en la tabla siguiente, esta cifra se ha aumentado de 11 litros desde 1996 hasta el año 2007. Es decir un 7,5% en 12 años.
Figura 14. Consumo medio por habitante y día (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
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Memoria descriptiva Con respeto al proyecto, es preciso saber en cuanto a la comunidad autónoma en donde se va a construir la estación de bombeo cuáles son variaciones de estos últimos años.
En la gráfica siguiente, se nota que no sólo la comunidad de Madrid tiene un consumo más bajo que la media española pero también está disminuyendo.
Figura 15. Consumo de agua por hogar y por año (extraída del perfil ambiental de España2009 del Ministerio del MedioAmbiente).
Para más informaciones, leer el informe del Ministerio de Medio Ambiente intitulado “PERFIL AMBIENTAL DE ESPAÑA 2009” en su página Web.
http://www.mma.es/portal/secciones/calidad_contaminacion/indicadores_ambient ales/perfil_ambiental_2009/
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Memoria descriptiva
1.1.5 ALJIBE SUPERIOR DE LA INSTALACIÓN
1.1.5.1
EXPLICACIÓN DEL CÁLCULO
Se explica en esa parte el proceso de determinación del volumen del aljibe de regulación del caudal arriba del edificio.
Con la demanda de agua establecida para el edificio entero, se puede determinar el volumen del aljibe de regulación. Básicamente es un almacén que no puede tener ruptura de inventario. El volumen que sale es el consumo del edificio, y el agua que entra es el agua bombeada.
El concepto básico que hay detrás de esto es que para tener un aljibe el más pequeño posible es bombear en función de la demanda de agua. Pero eso es imposible con el punto de funcionamiento que tenemos porque no hay ninguna bomba que le corresponde con rendimiento razonable. En efecto, como el caudal es muy pequeño y la altura muy grande, el punto de funcionamiento está muy cerca del punto de caudal nulo. Es decir cerca de un punto de rendimiento cero. Al contrario, si el tamaño del aljibe no da problema, el volumen máximo teórico es el volumen de agua necesaria para un día, considerando que el agua ha sido bombeada en pocas secundas. De esa forma, se podría hasta diseñar la instalación solamente para que la bomba funcione en su punto de máximo rendimiento.
Las variables necesarias para el dimensionamiento del aljibe son el número de arranques por hora al cual se va a arrancar la bomba, así que el caudal de consumo.
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Memoria descriptiva
1.1.5.1.1
Número máximo de arranques por hora
El número máximo de arranques por horas depende de la potencia de la bomba. Es un límite porque de hecho, si el aljibe tiene un volumen fijo, después de un cierto tiempo se necesitará bombear otra vez para evitar ruptura en el abastecimiento de agua. Entonces la bomba tiene que poder arrancar tantas veces que se lo necesita.
La consecuencia de eso, es que entre dos arranques, si se consume más agua que lo había disponible en el aljibe, entonces tampoco es criterio suficiente. Más adelante veremos cómo se hará para resolver este problema.
1.1.5.1.2
Caudal de consumo
El volumen mínimo se calcula para evitar situaciones de ruptura de reserva de agua en el aljibe. Entonces, para aquel criterio, se considera el consumo de punta (o máximo) entre dos arranques.
Si consideramos los consumos extraordinarios por ejemplo la renovación del agua de la piscina o la del agua de la calefacción del edificio, está claro que no se puede diseñar especialmente el sistema para estas situaciones porque van a ocurrir pocas veces, pero si hay que prever un sistema que pueda funcionar en tales situaciones.
En concreto, se fija para el cálculo el caudal de consumo al caudal de punta. Luego, se verificará cual será la capacidad para tales situaciones extraordinarias.
1.1.5.1.3
Tiempo mínimo de bombeo de la bomba empleada
A parte del cálculo de volumen útil mínimo del aljibe superior, se propone verificar que la bomba empleada esté adecuada a la estación con el criterio de 37
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Memoria descriptiva tiempo mínimo de funcionamiento para conseguir un buen gasto de energía (sin demasiadas pérdidas debidas a demasiados arranques sucesivos).
Este tiempo se determina como período mínimo durante el cual las bombas pueden arrancar, llegar a su régimen de funcionamiento, pararse y volver a arrancar. Ese régimen de funcionamiento tiene que corresponder con un punto, el más cerca posible del punto de máximo rendimiento la bomba o punto de diseño. En la práctica este tiempo es corto, unos minutos.
El objetivo de determinar el volumen del aljibe superior es que ese criterio permite que nunca haya parradas de la estación por estar esperando que una bomba se pueda arrancar otra vez.
Ahora bien, considerando estas variables se calculan distintos volúmenes en función de la potencia elegida para la bomba.
1.1.5.2
ALTERNATIVAS
Con la amplia gama de posibilidades que se presentan para diseñar la estación de bombeo, se ha de tomar unas decisiones para fijar las características de las instalaciones. Teniendo en cuenta el criterio principal de flexibilidad para las decisiones en el proyecto, todavía se ofrecen varias alternativas.
Para desempeñar las opciones que se presentan de forma coherente, se determinan criterios de elección para cada una de esas.
1.1.5.2.1
Estación de mínima capacidad
Con este criterio que se quiere lograr la estación de mínima capacidad con el fin de tener una estación que cumpla las necesidades mínimas para su funcionamiento en condiciones normales. 38
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Memoria descriptiva Para el aljibe superior de la estación de bombeo su capacidad será mínima con un volumen útil mínimo. Pequeño aljibe: Características de la bomba: potencia 11kW n=20 arranques por hora (máximo) Diseño de la instalación:
Para 10 arranques por hora Volumen útil = 950L
En este caso tampoco se coge el máximo en absoluto por tener margen de seguridad para respetar al criterio principal de flexibilidad de la instalación.
1.1.5.2.2
Estación de máximo rendimiento
Siguiendo este criterio, la estación tiene que tener un periodo muy largo entre dos mantenimientos consecutivos.
Se considera que la bomba tiene que funcionar con un número mínimo de arranques por hora para que la estación aguante mucho tiempo sin deteriorar los equipos de bombeo. Gran aljibe: Características de la bomba: potencia entre 11kW y 37kW n=20 arranques por hora Diseño de la instalación:
Para 2 arranques por hora Volumen útil = 4730L
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Memoria descriptiva
1.1.6 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE BOMBEO
1.1.6.1
CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓN
El caudal de bombeo depende del volumen del aljibe superior y también del tiempo de bombeo. Para cumplir los requisitos básicos de la estación de bombeo, se ha de tener en cuenta las características de la bomba empleada para tal bombeo. De hecho, como se necesita que la instalación funcione sin falta de suministro de agua. Pues, con el número de arranque máximo por hora de la bomba se puede saber el tiempo mínimo de bombeo para que el sistema no se sature. Es decir que considerando este tiempo de bombeo, en cuanto se haga el llenado del aljibe, en caso de que se ha de arrancarse otra vez, será posible en seguida después de la parada porque se habrá pasado el tiempo mínimo entre dos arranques.
Las ventajas de que provienen de tal criterio de no saturación del sistema son: -Que las bombas van a bombear caudales más cerca de sus puntos de diseño, es decir de máximo rendimiento. Esto justifica la adecuación de la maquinaria al uso al cual está previsto. -Además por cada arranque habrá un tiempo mínimo de funcionamiento que justifique el arranque. Es una forma de optimizar la tasa de funcionamiento de las bombas. Esto justifica la utilidad de la maquinaria.
1.1.6.2
ALTERNATIVAS
A partir de ahora en función de las alternativas propuesta para el volumen de los aljibes se va a seguir los criterios establecidos para que sea coherente toda la instalación en cada una de las alternativas.
40
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Memoria descriptiva
1.1.6.2.1
Estación de mínima capacidad
En funcionamiento normal, se prevé que tiene un número de arranques cerca del máximo para las bombas de pequeña potencia. Así se sigue el criterio de ajustar al mínimo la estación. Se ha elegido un volumen del aljibe correspondiente a un número de arranque mayor con el fin de minimizar las capacidades. Bomba pequeña: Características de la bomba: 11kW n=20 arranques por hora (máximo) Diseño de la estación:
Para 10 arranques por hora Volumen del aljibe pequeño=950L Tiempo de bombeo: 3600/20=180s Caudal de bombeo: Q=950/180=5,3L/s
Equivale a una bomba de 3,8kW con características aproximadas de altura.
1.1.6.2.2
Estación máximo rendimiento
En ese caso, como el aljibe superior tiene gran volumen, para seguir con el criterio de funcionamiento con mínimo deterioro de los equipos. El volumen del Aljibe corresponde a 2 arranques por hora, para evitar un desgaste de la bomba. Bomba de más potencia: Características de la bomba: de la entre 11kW y 37kW n=17 arranques por hora (máximo) Diseño de la estación:
Para 2 arranques por hora Volumen del aljibe grande=4800L Tiempo de bombeo: 3600/17=212s Caudal de bombeo: Q=4800/212=22,64L/s
Equivale a una bomba de 16,6kW con características aproximadas de altura.
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Memoria descriptiva
1.1.7 DETERMINACIÓN DE LA TUBERÍA
La estación está compuesta de las bombas, la de servicio y la de reserva, de la tubería de aspiración y de impulsión y también de piezas especiales que tienen funciones de gestión y control de la misma estación. Estas piezas especiales son las válvulas de compuerta y de anti-retorno u otras piezas que sirven para la adaptación de los diámetros como los conos, codos o unciones. Cada parte atravesada por el fluido bombeado proporciona pérdidas de carga. Esta parte sigue el planteamiento del manual para proyectista de la empresa ABS.
1.1.7.1
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA
A fin de calcular las pérdidas de la instalación, se ha de determinar ciertos parámetros necesarios para ello. Son los materiales así que los diferentes diámetros de la tubería.
1.1.7.1.1
Velocidad en las conducciones
Los diámetros tienen que respetar a varios criterios para el buen montaje o funcionamiento de las instalaciones.
El tubo de impulsión de cada bomba debe ser al menos del mismo diámetro que la brida de descarga.
La velocidad del agua no debe pasar de 3m/s. En tramos muy cortos, como los previos al colector general, pueden permitirse velocidades mayores. No será el caso en ese proyecto.
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Memoria descriptiva No hace falta hablar de límite de velocidad mínima, porque por razones económicas siempre se buscara, en el caso de este proyecto el mínimo diámetro lo cual genera velocidades altas.
En estaciones importantes que incorporen variador de frecuencia se puede instalar un caudalímetro para poder controlar la velocidad. Se hablará más en detalle de esto en la parte del proyecto sobre las bombas.
1.1.7.1.2
Materiales
Los materiales utilizados normalmente son:
En la estación de bombeo: -Acero galvanizado -Acero inoxidable -Polietileno electrosoldado -Polietileno -PVC
En la impulsión en general: -Fundición dúctil con recubrimiento interior de mortero -Materiales plásticos, con un coeficiente de rugosidad muy bajo
El diámetro del tubo puede calcularse son la formula siguiente:
Se escogerá el diámetro comercial más próximo al obtenido.
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Memoria descriptiva Se elige el HDPE porque es flexible, resisten a golpes de ariete de valores 3 veces superiores a los aplicables en tubos de fundición dúctil o de acero. Además no necesita que se prevea un espesor suplementario por corrosión ya que no hay. Por otra parte es más barato y más de instalar.
1.1.7.2
PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍA
En toda tubería por la que circula un fluido aparecen pérdidas de carga. Generalmente, en la técnica de bombeo, las pérdidas a considerar se originan por rozamiento del líquido a elevar con la pared del tubo rozamiento interno.
La pérdida de carga se expresa mediante la siguiente fórmula de Darcy:
λ es el coeficiente de rozamiento del tubo, cifra adimensional para indicar su resistencia al flujo. En el coeficiente de rozamiento se incluyen todos los factores que originan al rozamiento interno depende de la viscosidad del liquido a elevar y de su contenido en substancias disueltas. En el caso de ese proyecto, no habrá porque se bombea agua limpia. Normalmente las pérdidas de carga en tuberías rectas se deben a rozamiento externo. Los factores que más influyen en ello son las velocidad de flujo y la rugosidad de la tubería.
La elección de la velocidad de flujo es importante para la economía de funcionamiento de las bombas y para la duración de cuanto más corta sea la conducción menor el contenido de sólidos en el líquido a elevar mayor puede ser la velocidad de flujo. Velocidades inferiores a 0,5m/s resulta conducciones de gran diámetro con caudales importantes; por encima de 5m/s tiene lugar cavitación en puntos críticos de la instalación.
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Memoria descriptiva Por rugosidad de la tubería se entienden las irregularidades en la pared de la misma, que varían mucho según el material y que pueden cambiar a lo largo del funcionamiento. Para definir la rugosidad sirve la figura siguiente así como la tabla a continuación.
Tabla 4: Rugosidad (extraída del Manual del proyectista de ABS)
Figura 16. Definición rugosidad (extraída del manual para el proyectista de ABS).
El coeficiente de rozamiento puede calcularse son la fórmula semi-empírica de Prandtl-Colebrook:
La fórmula es poco manejable y sólo se puede resolver por tanteo. Por ello en la práctica hay que utilizar ordenadores o diagramas.
En esa fórmula, se simplifica enormemente con ayuda en BASIC que después de pedir los datos necesarios calcula por el método iterativo el coeficiente λ y da la pérdida de carga Hv.
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Memoria descriptiva
Siendo:
-v, la velocidad del fluido -vc, la viscosidad cinemática, en m²/s (1,02x10-6, para el agua a
20°C) -ID, el diámetro interior del tubo
En ese proyecto, se ha utilizado el software de la empresa ABS, ABSEL.
1.1.7.3
PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS Y PIEZAS ESPECIALES
Los accesorios y piezas especiales también originan pérdidas de carga, que tienen lugar por separación de la corriente de la pared del tubo, ya que el perfil de la misma es distorsionado por la formación de remolinos y discontinuidades de las paredes.
El coeficiente de resistencia ζ, es un factor de proporcionalidad que depende del caudal, define las pérdidas en piezas especiales y accesorios.
En la práctica la pérdida de carga de un accesorio o pieza especial se determina, conociendo el coeficiente de resistencia, con la fórmula:
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Memoria descriptiva
1.1.7.4
ESPESOR DE LA TUBERÍA
Figura 17. Bombas de marca ABS en cámara seca (extraída del manual para el proyectista de la empresa ABS).
Estación de mínima capacidad Tubo del comercio correspondiente: PE HD 100PN-16 63x5,8 con referencia HDPE-063-058-016.
Estación máximo rendimiento Tubo del comercio correspondiente: PE HD 100PN-16 125x11,4 con referencia HDPE-125-114-016.
1.1.7.5
UNIONES
Los sistemas de unión de los tubos de PE podrán ser alguno de los que se indican a continuación (uniones rígidas): - Unión soldada térmicamente a tope.
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Memoria descriptiva - Unión por electrofusión. - Unión mediante accesorios mecánicos.
Figura 18. Tipos de uniones para tubos de material PE (extraída de las normas para Redes de Reutilización del Canal de Isabel II).
Las uniones entre distintos componentes que integran las conducciones de aducción o de distribución de una red de agua admiten ser clasificadas de la siguiente manera:
-Uniones flexibles Si permiten una desviación angular significativa, tanto durante como después de la instalación, y un ligero desplazamiento diferencial entre ejes.
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Memoria descriptiva -Uniones rígidas Si no permiten desviación angular ni durante ni después de la puesta en obra.
-Uniones ajustables Si solamente permiten una desviación angular significativa en el momento de la instalación.
Alternativamente a la anterior, otra clasificación habitual de los sistemas de unión es la siguiente:
-Uniones autotrabadas o resistentes a la tracción Si son capaces de resistir el empuje longitudinal producido por la presión interna y cuando se dé el caso, también por las fluctuaciones de temperatura y contracción de Poisson de la conducción bajo presión interna.
-Uniones no autotrabadas o no resistentes a la tracción Las que tienen un juego axial adecuado para acomodar el movimiento axial del extremo liso inducido por fluctuaciones térmicas y contracciones de Poisson de la conducción bajo presión interna, además de la desviación angular especificada.
En los diferentes apartados del anterior apartado se han especificado los sistemas de unión normalizados para tubos PE.
En cualquier caso, sean cuales sean las topologías de uniones adoptadas, las mismas deberán cumplir las siguientes condiciones:
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Memoria descriptiva -Resistir, permanentemente y sin fugas, la MDP del tramo de tubería correspondiente a la unión.
-Ser estancas a una presión hidráulica interior negativa (depresión) de 0,09N/mm².
-Resistir, sin entrada de agua, una presión hidrostática exterior de 0,2 N/mm², cuando esté previsto se uso a profundidades mayores de 5 metros bajo el agua.
En el caso particular de que se empleen uniones son junta de elastómero o uniones con bridas, deberán ser conformes con lo especificado por las normas UNE-EN 681, para el primer caso (juntas elastómericas) y UNE-EN 1.514, UNE-EN 1.515, UNE-EN 1.591 y UNE-EN 12.560, para el segundo (uniones con bridas), in dependientemente de los componentes a unir.
1.1.7.6
ALTERNATIVAS
Se detallan a continuación los resultados obtenidos para cada una de las alternativas.
1.1.7.6.1
Estación de mínima capacidad Estación de mínima capacidad
Single Head Pump
Caudal de bombeo
5,31 l/s
Hgeo
70 m
Diámetro tubería de impulsión
DN63
mm
Diámetro tubería de aspiración
DN80
mm
Hv,s
0,292 m
Hy,d
4,82 m
Hv,total
5,112 m
Fluido
Water, Clean
Tipo Instalación
Dry well installation
Tabla 5: tabla de resultados diámetros de tubería para la estación de máximo rendimiento
50
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Memoria descriptiva
1.1.7.6.2
Estación de máximo rendimiento Estación de máximo rendimiento
Single Head Pump
Caudal de bombeo
22,6 l/s
Hgeo
70 m
Diámetro tubería de impulsión
DN125
mm
Diámetro tubería de aspiración
DN125
mm
Hv,s
0,884 m
Hy,d
3,97 m
Hv,total
4,854 m
Fluido
Water, Clean
Tipo Instalación
Dry well installation
Tabla 6: tabla de resultados diámetros de tubería para la estación de mínima rendimiento
1.1.8 DETERMINACIÓN DE LAS BOMBAS
Figura 19. Detalle interno una bomba de marca ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
51
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Memoria descriptiva
1.1.8.1
NÚMERO DE BOMBAS
El número mínimo de bombas en un pozo debe ser de 2, como ya se ha comentado, una de reserva y otra en servicio activo. Cada una de ellas capaz de elevar el máximo de cálculo ya que funcionarán alternativamente.
El número óptimo de combas depende de una serie de factores y no puede prefijarse. La decisión se deberá tomar tanteando varias soluciones y analizando costes de instalación, consumo energético y mantenimiento. No obstante, el número máximo de bombas, en la mayoría de los casos, es de 4 a 6 unidades iguales.
1.1.8.2
TIPO DE BOMBAS
Refiriéndose a las bombas del catálogo de ABS, la diferencia entre los distintos tipos radica en el impulsor.
En la figura siguiente se representan los impulsores utilizados:
Figura 20. Tipos de rodetes (extraída del manual del proyectista de ABS)
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Memoria descriptiva Los adjetivos “radial” y “axial” indican si el flujo del agua a través del impulsor es perpendicular o paralelo a su eje de giro.
Las bombas con impulsor radial pueden trabajar en una zona amplia de caudales y alturas y permiten el paso de sólidos de cierto tamaño.
1.1.8.3
FORMA DE MONTAJE
Las bombas sumergibles pueden instalarse sumergidas o en seco. Hay argumentos a favor y en contra de estos dos tipos de montaje. Desde el punto de vista constructivo es evidente que la solución de bombas sumergidas requiere menos superficie y por tanto menos volumen. Se dice que el montaje de las bombas en seco facilita su mantenimiento, lo que puede ser cierto para trabajos in situ, pero el desmontaje es más rápido y más fácil si la bomba está conectada a un pedestal que si está conectada con bridas a los tubos de aspiración e impulsión. Por otra parte, el montaje en seco exige la existencia de un tubo de aspiración más o menos largo entre la bomba y el pozo emisor. En el caso de que se produzca una obstrucción en el dicho tubo hay que proceder a vaciar el pozo para intentar eliminarla. En el caso de este proyecto no habrá sólidos en el agua a bombear ya que será agua potable.
Todos estos aspectos deben tenerse en cuenta en la elección del tipo de montaje, si bien lo más importante puede ser el aspecto económico de la obra. En algunos casos, el impacto medio ambiental de una u otra solución puede ser decisivo.
53
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Memoria descriptiva
Figura 21. Tipos instalación de las bombas de marca ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
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Memoria descriptiva
1.1.8.4
TIPO DE ARRANQUE
Para el arranque de las bombas se seguirán, en general, los siguientes criterios, en función de la potencia P de las bombas instaladas:
1.1.8.5
P < 5 kW
arranque directo de las bombas
5 kW < P < 15 kW
arranque mediante arrancadores suaves
15 kW < P
arranque mediante variadores de frecuencia
RESULTADOS
Las bombas vienen dadas por el software de la empresa ABS. Con el software, se detalla toda la instalación además de dar el caudal determina en función de su catalogo de productos, las bombas que corresponden.
1.1.8.5.1
Estación de mínima capacidad
Bomba pequeña: Características de la bomba: 11kW n=20 arranques por hora (máximo) Diseño de la estación:
Para 10 arranques por hora Volumen del aljibe pequeño=950L Tiempo de bombeo: 3600/20=180s Caudal de bombeo: Q=950/180=5,3L/s
Equivale a una bomba de 3,8kW con características aproximadas de altura. Datos de la bomba: Tipo: NL 65250 Marca: ABS ηb = 34,2%
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Memoria descriptiva Rodete: Impulsor cerrado multi-álabe Dimensión del rodete: 238mm Potencia nominal del motor: 15kW Arranque mediante variadores de frecuencia o Estr./Triáng ηm = 88,5% Precio: 22.130€/bomba
1.1.8.5.2
Estación de máximo rendimiento
Bomba de más potencia: Características de la bomba: de la entre 11kW y 37kW n=17 arranques por hora (máximo) Diseño de la estación:
Para 2 arranques por hora Volumen del aljibe grande=4800L Tiempo de bombeo: 3600/17=212s Caudal de bombeo: Q=4800/212=22,64L/s
Equivale a una bomba de 16,6kW con características aproximadas de altura. Datos de la bomba: Tipo: NL 65250 Marca: ABS ηb = 70,6% Rodete: Impulsor cerrado multi-álabe Dimensión del rodete: 241mm Potencia nominal del motor: 30kW Arranque mediante variadores de frecuencia o Estr./Triáng ηm = 92,3% Precio: 26.035€/bomba 56
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Memoria descriptiva
1.1.9 DETERMINACIÓN DEL POZO DE BOMBEO
El pozo de bombeo es necesario para el buen funcionamiento de este tipo de estaciones de bombeo siguiendo el método de bombeo tanque a tanque. Esta parte se ha desarrollado específicamente para este proyecto a fin de tener las prestaciones de servicio requeridas para el buen funcionamiento de la estación.
1.1.9.1
USO DEL POZO DE BOMBEO
Es menester ante todo poder describir el uso del pozo de bombeo tanto como su funcionamiento, ya que determinan el cálculo del volumen del dicho pozo.
El pozo tiene la función de reserva de agua para el bombeo además de regulación del caudal. En efecto, el caudal a lo largo del sistema a pasado de ser muy aleatorio con picos de demanda mucho mayor que la media diaria (3 veces más grande), luego a ser discontinuo entre un nivel alto (caudal de bombeo) y bajo (cero) que corresponden a los arranques y a las paradas de las bombas. Por fin, sigue con discontinuidad pero con niveles altos no tan importante.
El agua viene de la red pública de distribución de agua potable por una acometida. Luego está bombeada por una de las bombas al aljibe superior. El bombeo se arranca en cuanto haya el nivel mínimo de agua en el aljibe superior. El abastecimiento de agua desde la red pública de distribución se produce siempre y cuando el nivel del agua en el pozo de bombeo no esté a su nivel máximo y se termina hasta que lo haya alcanzado de nuevo. Sabiendo esto último, es posible calcular su volumen.
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Memoria descriptiva Se necesita el número máximo de arranques por hora previstos para la instalación además del caudal de bombeo. Se considera el caudal de abastecimiento desde la red pública para este cálculo.
1.1.9.2
ALTERNATIVAS
Siguiendo la lógica de los dos tipos de diseño, se determina el volumen de los pozos de bombeo. En el diseño de los pozos, se considera solamente una bomba ya que está previsto que funcionen alternativamente una y otra.
1.1.9.2.1
Estación de mínima capacidad
Volumen del pozo de bombeo
250L Tiempo de relleno=3600/(10x1,5)=240s Caudal de relleno=950/240=3,96L/s
1.1.9.2.2
Estación de máximo rendimiento
Volumen del pozo de bombeo
3700L Tiempo de relleno=3600/(2x2)=900s Caudal de relleno=4800/900=5,33L/s
1.1.9.2.3
Nota para ampliaciones futuras
Para futuras ampliaciones de la estación de bombeo, se nota que no es imprescindible poner un pozo de bombeo más grande, sino simplemente prever a la hora de construir la estación un diámetro de tubería de acometida tal que permita caudales más grandes. Así se puede rellenar el pozo más rápidamente y por lo tanto permitir mas arranques por hora.
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Memoria descriptiva
1.1.10
CAVITACIÓN
En esta parte, se verifica que las instalaciones propuestas en el presente proyecto no presenten problemas de cavitación en las tuberías de aspiración en base al manual de proyectista de la empresa ABS.
1.1.10.1 ORIGEN DEL PROCESO
La explicación del fenómeno la encontramos en la ecuación de Bernoulli, que, sin considerar la energía de posición, se puede escribir como:
P/γ(energía de presión) + V²/2g (energía cinética) = Constante
En la que:
P = presión γ= densidad del líquido V = velocidad del líquido g = aceleración de la gravedad
Al pasar un líquido por el impulsor de una bomba, con una sección considerablemente menor que la del tubo de succión o incluso que la de la boca de entrada, se producirá un aumento de su velocidad.
Para que se cumpla la ecuación de Bernoulli el aumento de velocidad se tiene que compensar con una disminución de la presión, con lo que ésta puede llegar a igualar la tensión de vapor del líquido (y se producirá su ebullición).
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Memoria descriptiva
Figura 22. Distribución de presiones en una bomba (extraída del manual del proyectista de ABS)
1.1.10.2 PREDICCIÓN DEL PROCESO
Para evitar que se produzca este descenso de la presión hasta valores peligrosos, el líquido debe disponer, en su entrada a la bomba, de una presión suficiente para compensar el efecto del aumento de la velocidad. Esta presión se define como NPSHdisponible (del inglés Net Positive Suction Head), y es un valor que depende de las condiciones de la instalación y de la temperatura del líquido.
El fabricante de la bomba debe indicar, para cada tipo de impulsor y después de ensayos en banco de pruebas, cuál es el NPSH mínimo que debe cumplir la instalación para evitar que la cavitación se produzca. Este valor es el NPSHrequerido. Los fabricantes fijan normalmente este valor como “NPSH3” y corresponde al grado de cavitación en el que se produce un 3 % de caída en la presión normal que daría la bomba si no cavitase.
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Memoria descriptiva Se debe cumplir la siguiente relación:
NPSHdisponible - factor de seguridad (0,5 m, al menos) ≥ N PSHrequerido
En los casos en que:
(NPSHdisponible – factor de seguridad) ≤ NPSHrequerido
habrá peligro de cavitación.
1.1.10.3 FENÓMENOS ASOCIADOS
1.1.10.3.1
Turbulencias en la tubería de aspiración
Pueden evitarse con un buen diseño de la aspiración de las bombas:
• Entre la boca de entrada y el primer codo debe haber una longitud mínima de 10 DN • Distancia mínima entre ejes de de bombas de al menos 2 DN de aspiración. • Distancia minima entre bocas de aspiración y entrada a la cámara de aspiración: 10 DN. • Es preferible una cámara separada de aspiración para cada bomba en el caso de grandes caudales.
1.1.10.3.2
Sumergencia
Para evitar la entrada de aire a la bomba como consecuencia de la formación de vórtices, debe haber una cierta altura sobre su voluta.
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Memoria descriptiva
Figura 23. Sumergencia (extraída del manual del proyectista de ABS)
1.1.10.4 RESULTADOS
1.1.10.4.1
Estación de mínima capacidad
Bomba pequeña: Sumergencia = 0,50m NPSHr = 1,40mca (Dado por los datos de la bomba) NPSHd = 9,61mca
1.1.10.4.2
Estación de máximo rendimiento
Bomba de más potencia: Sumergencia = 0,60m NPSHr = 2,60mca (Dado por los datos de la bomba) NPSHd = 9,12mca
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Memoria descriptiva
1.1.11
EL CONTROL DEL BOMBEO
Apoyándose en el manual para proyectistas de la empresa ABS y sobre las Normas de diseño de la empresa Canal de Isabel II se ha hecho esta parte. El fin es la elección del sistema de control y mando de las dos alternativas de estaciones de bombeo.
1.1.11.1 EL AUTOMATISMO
Las bombas entran en funcionamiento y se paran en función del agua en el pozo receptor.
Los diferentes sensores existentes de nivel son los siguientes:
• Electrodos: Se activan cuando pasa una corriente eléctrica entre ellos a través del agua como conductor. Solo se utilizan en aguas limpias, ya que las residuales o pluviales pueden ensuciar o corroer se superficie con lo que quedan inutilizados.
• Regulador basculante con interruptor interno: Es el más utilizado por la sencillez de su instalación y de su regulación en altura. Exige cierto cuidado de mantenimiento, limpieza básicamente, para librarlo de sólidos o costras que le impidan su movimiento.
• Regulador por burbuja de aire: Se inyecta aire en continuo por medio de una pequeña bomba en un tubo de medición de 15mm de diámetro. La presión que debe vencer la
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Memoria descriptiva burbuja es proporcional a la altura del líquido y actúa sobre unos interruptores de membrana. Este sistema es insensible a los sólidos presentes en las aguas residuales o pluviales.
Figura 24.Regulador por burbuja de aire (extraída del manual del proyectista de ABS)
• Sensor de nivel capacitivo o piezométrico: Conectado a una C.C. emite una señal de 4-20mA proporcional a la altura del líquido, por lo que puede servir como interruptor y como indicador de nivel en continuo.
• Transductor ultrasónico: Emite una señal que es función del nivel de agua. Debe instalarse en zona protegida contra oleaje y libre de espumas.
Figura 25. Transductor ultrasónico (extraída del manual del proyectista de ABS)
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Memoria descriptiva Las señales emitidas por los sensores de nivel se reciben en un dispositivo del cuadro eléctrico que, de acuerdo con un programa, arranca y para las bombas.
El programa de funcionamiento debe intentar que todas las bombas, incluidas las de reserva activa, trabajen aproximadamente el mismo número de horas.
A continuación, la tabla propone ejemplo de programa para una estación de 4 bombas:
Tabla 7: Secuencia de arranque de las bombas
1.1.11.2 TELEMETRÍA
En un sistema de saneamiento centralizado se puede acceder a todos los parámetros de las diferentes estaciones que lo componen por medio de los sensores y receptores adecuados. Algunos parámetros pueden modificarse desde el puesto de control.
Las señales procedentes de los sensores de las estaciones de bombeo se transmiten vía red telefónica o MODEM. Los parámetros o situaciones más interesantes de controlar son: -Niveles -Caudales -Fallo en bombas de reserva -Pérdida de la reserva (entrada en funcionamiento de la bomba de reserva) -Salto de térmicos
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Memoria descriptiva
Figura 26. Autómata ABS (extraída del manual del proyectista de ABS)
-Fallo de juntas mecánicas -Temperatura de cojinetes -Temperatura de bobinados -Inundación (en instalaciones en seco) -Detección de gases nocivos -Presencia de intrusos
1.1.11.3 VÁLVULAS
1.1.11.3.1
Válvulas de retención
Se utilizan siempre que las bombas descargan en un colector común.
Son dispositivos hidromecánicos cuya finalidad es la de dejar pasar el agua en un solo sentido. Están formados por un obturador unidireccional que deja pasar el agua en el sentido deseado, evitando la inversión del flujo en el sentido opuesto, cerrando automáticamente.
Las válvulas de retención deben cerrar rápidamente para limitar el flujo inverso a una pequeña magnitud, pues, de lo contrario, éste puede alcanzar un valor importante que produzca elevadas sobrepresiones por golpe de ariete en 66
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Memoria descriptiva el momento del cierre, originando anomalías en el resto de la instalación. No obstante, también puede conseguirse minimizar el golpe de ariete mediante sistemas de cierre lentos o retardados.
Preferiblemente se instalaran en posición horizontal, para evitar acumulación de sólidos sobre las bolas o las clavetas. Se deben escoger los modelos que dejen más libre el paso del agua.
Deben instalarse fuera del pozo, en una cámara de llaves.
Figura 27. Válvulas de retención (extraída del manual del proyectista de ABS)
1.1.11.3.2
Válvulas de corte
Serán de tipo compuerta y se instalaran en cámara de llaves fuera del pozo.
La válvula de compuerta se utiliza en el seccionamiento de conducciones de fluido a presión, mediante un obturador deslizante dentro de un cuerpo o carcasa. Por su propio diseño la válvula funcionará en dos posiciones básicas: abierta o cerrada. Las posiciones intermedias adquieren, por tanto, un carácter de provisionalidad.
Deben tener la mayor sección de aso libre Por este motivo no son aconsejables las válvulas de mariposa, cuya lenteja centrada, puede servir de punto de
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Memoria descriptiva acumulación de sólidos que irían cerrando el paso e impedirían el cierre total de la válvula en el momento en que se necesite hacerlo.
Figura 28. Válvula de compuerta plana (extraída del manual del proyectista de ABS)
1.1.11.3.3
Purgas de aire
Válvulas de Puga de aire, válvulas rompedoras de vacío o combinaciones de ellas deben instalarse en puntos críticos de la estación de bombeo y de la impulsión general. Cada válvula debe ser del tamaño adecuado para permitir el paso del volumen de aire previsto.
Todos estos aparatos se instalaran con una válvula auxiliar de aislamiento.
Las descargas de las purgas de aire de la estación de bombeo deben conducirse al pozo colector.
1.1.11.3.4
Manómetros
Las estaciones de bombeo de aguas residuales o pluviales suelen carecer de manómetros, lo cual dificulta el mantenimiento y la detección de averías.
Se recomienda la instalación de al menos un manómetro en el colector común de las impulsiones, con válvula de aislamiento, T y grifo de purga.
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Memoria descriptiva El tipo de manómetro a emplear es el que no está en contacto directo con el agua residual.
1.1.11.3.5
Carretes de desmontaje
La instalación de carretes facilitara el montaje y desmontaje de las válvulas y de los elementos de calderería, aunque esta última operación no es frecuente.
1.1.11.4 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO
En esa parte, se describe el funcionamiento de la estación para la programación del autómata. Viene como un resumen de todo lo que se ha visto en las partes anteriores del presente proyecto.
1.1.11.4.1
Pozo de bombeo
El pozo de bombeo está alimentado por una acometida de la red pública de distribución de agua potable. El caudal mínimo de relleno del pozo en agua potable está calculado para un relleno tal que permita que nunca esté vacío el pozo con el caudal de bombeo previsto. Está permitido el relleno por una válvula accionada por un flotador. El flotador en posición alto cierre la acometida y la abre en posición baja. Está colocado en el pozo de bombeo una boya de alarma de nivel bajo. Tiene el papel de evitar que se empiece un bombeo sin que haya suficientemente agua en el dicho pozo.
1.1.11.4.2
Bombas
Las bombas se arrancan en cuanto tengan la señal que viene del sensor hidrostático HSR del Aljibe superior. Este sensor permite medir la altura de agua en el aljibe superior. Con un nivel bajo, se arranca las bombas. Con un nivel alto se paran las bombas. El caudal de bombeo está calculado para que se rellene el aljibe superior en un tiempo adecuado al número máximo de arranques por hora de las bombas. Este tiempo de bombeo permite que se haya vaciado el volumen útil del pozo de bombeo justo en el momento de paro de la
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Memoria descriptiva bomba. No habrá volumen de reserva pero el caudal de relleno, pero se aconseja que esté multiplicado por un coeficiente de seguridad para permitir relleno más rápido y por lo tanto arranques más frecuentes.
1.1.11.5 ALTERNATIVAS
Para las dos estaciones se utiliza el mismo tipo de cuadro eléctrico para el control y accionamiento de las bombas. Solamente, son diferentes en término de potencia. No hay diferencia en lo que trata de la programación del PLC ya que tienen funcionamientos idénticos. También, los sensores no difieren entre una u otra alternativa.
A continuación están dados los precios en función de cada una de las alternativas.
1.1.11.5.1
Estación de mínima capacidad
Descripción:
TLG con 1 det. humedad y 1 s. térmica
N° de Artículo:
8200 0428
N° de bombas:
2
Potencia:
15kW
Corriente nominal:
30A
Tipo de arranque:
Estr./Triáng.
Tensión nominal:
400 V
Precio: 37.050€
1.1.11.5.2
Estación de máximo rendimiento
Descripción:
TLG con 1 det. humedad y 1 s. térmica
N° de Artículo:
8200 0432
70
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Memoria descriptiva N° de bombas:
2
Potencia:
30kW
Corriente nominal:
60A
Tipo de arranque:
Estr./Triáng.
Tensión nominal:
400 V
Precio: 54.300€
1.1.12
GOLPE DE ARIETE
Recogiendo a continuación la definición del golpe de ariete, se explica lo que es además de estudiar sus efectos en la instalación del presente proyecto.
El golpe de ariete se origina a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en la teoría de las bombas se considera como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que viene inmediatamente detrás y que siguen aun en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y por tanto ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retornar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión co respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el
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Memoria descriptiva orto extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejara siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería.
Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como:
En el caso de este proyecto, se ha verificado que el tiempo de cierre de las válvulas de compuerta es mucho más largo que el resultado del tiempo de recogida de la onda. Por lo tanto no habrá golpe de ariete.
1.1.13
SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS
INSTALACIONES
Ahora que la estación está diseñada, se muestra a continuación una simulación de su funcionamiento. Los datos de partida de la simulación necesarios son los del consumo del edificio. Pues en función del caudal medio y el caudal de punta, únicos límites dados por las normas de diseño dadas por la empresa Canal de Isabel II, se ha determinado un consumo sobre una jornada.
1.1.13.1 FUNCIONAMIENTO EN PERIODOS NORMALES
El funcionamiento en periodo normal es el del diseño de la estación. Luego se añaden los consumos excepcionales tal como el relleno de la piscina.
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Memoria descriptiva
Caudal consumido por las viviendas 3,0000 2,5000 Caudal (L/s)
2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000 1h
4h
7h
10h
13h
16h
19h
22h
Tiempo (h) Caudal total consumido Figura 29. Consumo de agua potable del edificio en periodos normales
1.1.13.1.1
Estación de mínima capacidad
Los datos de partida de la simulación son los siguientes: Caudal de reposición de la piscina
0,0839 L/s
Caudal medio de consumo del edificio
0,8478 L/s
Volumen aljibe superior Caudal de bombeo
950 L 5,28 L/s
Tiempo unitario de bombeo
180 s
Volumen del pozo de bombeo
250 L
Número de arranques por hora (A/h) Coeficiente de seguridad
10 1/h 1,5
Tiempo de relleno del pozo
240 s
Caudal de relleno del pozo
3,96 L/s
Tabla 8: Datos de la simulación de la estación de mínima capacidad
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Memoria descriptiva Con el diseño de la estación de mínima capacidad se detalla a continuación su reacción frente a ese consumo.
Primero, es menester ver que lo que limita la capacidad no es solamente el caudal de bombeo, pero también el número de arranques por hora de la bomba empleada.
Pero, como la estación está diseñada para un caudal fijo. El control automático prevé en caso de aumento de consumo arrancar más veces y no bombear a un nivel de caudal más alto. De hecho, el motor no está adecuado para caudales superiores al caudal de diseño.
Número de arranques por hora 16,00 14,00 12,00 10,00 A/h
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1h
3h
5h
7h
9h
11h
Número de A/h disponibles
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Figura 30. Número de arranques en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
Se ve en la gráfica anterior el efecto del coeficiente de seguridad elegido para el diseño del pozo de bombeo. Ya que tiene una consecuencia directa en la capacidad de la estación.
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Memoria descriptiva
Utilización de la capacidad 4,5000 4,0000
Caudal (L/s)
3,5000 3,0000 2,5000 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000 1h
3h
5h
7h
9h
11h
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiempo (h) Caudal
Relleno de la piscina
Caudal de consumo disponible
Figura 31. Caudal de consumo en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
Lo interesante de esta gráfica es su variación de la capacidad. Viene del hecho de que la capacidad de bombear agua a la hora “h” depende de lo que se ha consumido anteriormente. Es decir, si al empezar una nueva hora el aljibe superior está casi vacío, se ha perdido un arranque para rellenarlo, lo cual baja la capacidad del caudal de consumo de esa hora.
Se verifica lo anterior en la gráfica siguiente. Por ejemplo a las 11h, se nota que la capacidad es más baja que a otras horas. En relación con la evolución del volumen del aljibe superior, se nota que al empezar la hora, el nivel de agua es bajo (volumen de agua en el aljibe antes de las 11h: 293L, 30% del volumen total). Además, entre las 11h y las 12h, el consumo de agua es más alto que el de las 10h lo cual significa que se van a arrancar más veces las bombas. Por consiguiente, la caudal de consumo disponible es más bajo.
75
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Memoria descriptiva
Nivel del agua en el aljibe superior a cada hora 1000,00 900,00 800,00
Volumen (L)
700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00
7h 8h 9h 10 h 11 h 12 h 13 h 14 h 15 h 16 h 17 h 18 h 19 h 20 h 21 h 22 h 23 h 24 h
4h 5h 6h
1h 2h 3h
0,00
Tiem po (h)
Volumen restante en el aljibe con relleno de la piscina Volumen restante en el aljibe en funcionamiento normal
Figura 32. Volumen del aljibe superior al final de cada hora en funcionamiento normal para la estación de mínima capacidad
En esa gráfica, se nota la evolución del volumen de agua en el aljibe superior a finalizar la hora. La evolución en cada hora, no está tenido en cuenta.
1.1.13.1.2
Estación de máximo rendimiento
Para las simulaciones hechas con la estación de máximo rendimiento, los datos de partida son los recogidos en la tabla siguiente. Caudal de reposición de la piscina
0,0839 L/s
Caudal medio de consumo del edificio
0,8478 L/s
Volumen aljibe superior Caudal de bombeo
4800 L 22,64 L/s
Tiempo unitario de bombeo
212 s
Volumen del pozo de bombeo
3700 L
Número de arranques por hora (A/h) Coeficiente de seguridad
76
2 1/h 2
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Memoria descriptiva Tiempo de relleno del pozo
900 s
Caudal de relleno del pozo
5,33 L/s
Tabla 9: Datos de la simulación de la estación de máximo rendimiento
De la misma forma que para la estación de mínima capacidad, se muestra a continuación, una serie de graficas que reflejan el funcionamiento en condiciones normales.
Núm ero de arranques por hora
4,00
3,00
A/h 2,00
1,00
0,00 1h
3h
5h
7h
9h
11h
Número de A/h disponibles
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Figura 33. Número de arranques en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
Ha sido diseñado por dos arranques por hora, lo cual está verificado con un coeficiente de seguridad de 2 para funcionamientos excepcionales.
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Memoria descriptiva
Utilización de la capacidad 7,0000 6,0000 5,0000 4,0000 3,0000 2,0000 1,0000 0,0000 1h
3h
5h
7h
9h
11h
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Caudal
Relleno de la piscina
Caudal de consumo disponible
Figura 34. Caudal de consumo en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
Las variaciones de capacidad son más importantes por el hecho de que el volumen del aljibe superior es mayor.
7h 8h 9h 10 h 11 h 12 h 13 h 14 h 15 h 16 h 17 h 18 h 19 h 20 h 21 h 22 h 23 h 24 h
4h 5h 6h
4800 4500 4200 3900 3600 3300 3000 2700 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1h 2h 3h
Volumen (L)
Nivel de agua en el aljibe superior a cada hora
Tiempo (h)
Volumen restante en el aljibe con relleno de la piscina Volumen restante en el aljibe en funcionamiento normal
Figura 35. Volumen del aljibe superior al final de cada hora en funcionamiento normal para la estación de máximo rendimiento
78
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Memoria descriptiva
1.1.13.2 FUNCIONAMIENTO CON RELLENO DE LA PISCINA
La piscina del edificio tiene el volumen siguiente. Se ha calculado con las características descritas en el presente proyecto. Volumen total del vaso de agua equivalente en litros
507,3 m3 507333,3 L
Tabla 10: Datos de la piscina
Es necesario para saber el tiempo de relleno de la piscina.
1.1.13.2.1
Estación de mínima capacidad Relleno piscina día
1,00 L/s
Relleno piscina noche
2,00 L/s
Tabla 11: Caudales de relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
Con el caudal disponible observado en las gráficas de la parte de simulación en funcionamiento normal, se han fijado los caudales de relleno de la tabla anterior. Se considera que el relleno de la piscina se puede hacer con una programación. A fin de evitar la saturación de la estación.
A continuación, viene el histograma de la del caudal de consumo diario teniendo en cuenta el relleno de la piscina. Luego se ve que el número de arranques por hora ha aumentado. En la hora de demanda punta, se nota el acercamiento al número máximo de arranques por hora y por lo tanto de saturación de la estación.
También en la gráfica de la utilización de la capacidad, se nota como el caudal de relleno de la piscina aumenta la tasa de utilización de la misma.
79
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Memoria descriptiva
Número de arranques por hora 16,00 14,00 12,00 10,00 A/h
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1h
3h
5h
7h
Número de A/h disponibles
9h
11h
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Figura 36. Número de arranques en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad Caudal consumido por las viviendas con relleno de la piscina 4,0000 3,5000
Caudal (L/s)
3,0000 2,5000 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000 1h
4h
7h
10h
13h
16h
19h
22h
Tiempo (h) Caudal total consumido
Figura 37. Caudal de consumo en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
80
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Memoria descriptiva
Utilización de la capacidad 4,5000 4,0000
Caudal (L/s)
3,5000 3,0000 2,5000 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000 1h
3h
5h
7h
9h
11h
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiempo (h) Caudal
Relleno de la piscina
Caudal de consumo disponible
Figura 38. Repartición del consumo del agua en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de mínima capacidad
Nivel del agua en el aljibe superior a cada hora 1000,00 900,00 800,00
Volumen (L)
700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00
7h 8h 9h 10 h 11 h 12 h 13 h 14 h 15 h 16 h 17 h 18 h 19 h 20 h 21 h 22 h 23 h 24 h
4h 5h 6h
1h 2h 3h
0,00
Tiem po (h)
Volumen restante en el aljibe con relleno de la piscina Volumen restante en el aljibe en funcionamiento normal
Figura 39. Comparativo de los volúmenes de agua de los dos tipos de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
81
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Memoria descriptiva
Comparación de los tipos de funcionamiento 14 12 10 8 A/h 6 4 2 0 Horas
1h
4h
7h
10h
13h
16h
19h
22h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Número de A/h efectivos
Figura 40. Comparativo de los números de arranques de los dos tipos de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
En la tabla siguiente, se recogen resultados proporcionados por la simulación que permite calcular con más precisión los costes de la instalación. Estación de mínima capacidad Funcionamiento normal
Con relleno de la piscina
Horas de funcionamiento
4,20 h/J
11,25 h/J
Número de arranques
84,00 1/J
225,00 1/J
Tiempo de parada máx.
60,00 min
39,00 min
Tiempo de parada min
30,00 min
18,00 min
Consumo eléctrico Coste de funcionamiento
23010,75 kWh/año 3223,09 €/año
61635,94 kWh/año 8633,28 €/año
Tabla 12: Tabla de resultados simulación de funcionamiento de la estación de mínima capacidad
De la simulación también se aprovecha para calcular el tiempo de relleno de la piscina.
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Memoria descriptiva Tiempo de relleno continuo equivalente en segundos
3,81 días 329081,081 s
Tabla 13: Tiempo de relleno de la piscina con la estación de mínima capacidad
1.1.13.2.2
Estación de máximo rendimiento
La estación de máximo rendimiento permite bombear mas volumen lo cual facilita un consumo mayor y por lo tanto un relleno de la piscina con un caudal más importante. Relleno piscina día
2,00 L/s
Relleno piscina noche
3,00 L/s
Tabla 14: Caudales de relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
Núm ero de arranques por hora
4,00
3,00
A/h 2,00
1,00
0,00 1h
3h
5h
7h
9h
11h
Número de A/h disponibles
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Figura 41. Número de arranques en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
83
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Memoria descriptiva
Caudal consumido por las viviendas con relleno de la piscina 5,0000 4,5000 4,0000 Caudal (L/s)
3,5000 3,0000 2,5000 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000 1h
4h
7h
10h
13h
16h
19h
22h
Tiempo (h) Caudal total consumido
Figura 42. Caudal de consumo en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
Utilización de la capacidad 7,0000 6,0000 5,0000 4,0000 3,0000 2,0000 1,0000 0,0000 1h
3h
5h
7h
9h
11h
13h
15h
17h
19h
21h
23h
Tiem po (h)
Caudal
Relleno de la piscina
Caudal de consumo disponible
Figura 43. Repartición del consumo del agua en funcionamiento con relleno de la piscina para la estación de máximo rendimiento
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Memoria descriptiva
9h 10 h 11 h 12 h 13 h 14 h 15 h 16 h 17 h 18 h 19 h 20 h 21 h 22 h 23 h 24 h
7h 8h
5h 6h
3h 4h
4800 4500 4200 3900 3600 3300 3000 2700 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1h 2h
Volumen (L)
Nivel de agua en el aljibe superior a cada hora
Tiem po (h)
Volumen restante en el aljibe con relleno de la piscina Volumen restante en el aljibe en funcionamiento normal
Figura 44. Comparativo de los volúmenes de agua de los dos tipos de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento Comparación de los tipos de funcionamiento
3,00
2,00
A/h
1,00
0,00 1h
4h
7h
10h
13h
16h
19h
22h
Tiem po (h)
Número de A/h efectivos
Número de A/h efectivos
Figura 45. Comparativo de los números de arranques de los dos tipos de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento
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Memoria descriptiva Estación de máximo rendimiento Funcionamiento normal
Con relleno de la piscina
Horas de funcionamiento
0,94 h/J
3,65 h/J
Número de arranques
16,00 1/J
62,00 1/J
Tiempo de parada max
60,00 min
52,93 min
Tiempo de parada min
52,93 min
49,40 min
Consumo eléctrico Coste de funcionamiento
10324,40 kWh/año
40007,05 kWh/año
1446,13 €/año
5603,75 €/año
Tabla 15: Tabla de resultados simulación de funcionamiento de la estación de máximo rendimiento Tiempo de relleno continuo equivalente en segundos
2,31 Días 199606,557 s
Tabla 16: Tiempo de relleno de la piscina con la estación de máximo rendimiento
1.1.13.3 CONCLUSIÓN
La dos estación cumplen lo esperado en términos diseño con respecto a sus criterios. La de mínima capacidad es realmente más limitada que la otra. Por lo tanto su régimen de funcionamiento más alto. En el otro caso la estación tiene en régimen de funcionamiento menos rápido además de poder reaccionar mejor frente a grandes consumos. Se verifica que los rendimientos técnicos son mejores (bombas y motores). Por consecuencia menos pérdidas. Mas tiene consumos eléctricos menores, es decir un coste de funcionamiento menor.
Presupuesto:
Estación de mínima capacidad:
228 937,61€
Estación de máximo rendimiento:
268 091,93€
11 julio de 2011 Jean TREHARD 86
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Memoria descriptiva
1.2 CÁLCULOS
87
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Cálculos
1.2 CÁLCULOS Índice General 1.2.1 CAUDAL DE CONSUMO
90
1.2.1.1 DOTACIONES
90
1.2.1.2 DEMANDAS
90
1.2.1.3 CAUDALES
91
1.2.1.4 RESULTADOS
93
VOLUMEN DEL ALJIBE SUPERIOR
94
1.2.2.1 POTENCIA DE LA BOMBA
94
1.2.2.2 TIEMPO ENTRE ARRANQUE
95
1.2.2.3 VOLUMEN ÚTIL MÍNIMO
95
1.2.2.4 RESULTADOS
95
CAUDAL DE BOMBEO
97
1.2.3.1 PLANTEAMIENTO DEL CÁLCULO
97
1.2.3.2 RESULTADOS
98
1.2.3.3 ANÁLISIS
98
1.2.2
1.2.3
1.2.3.3.1 Estación de mínimo capacidad
99
1.2.3.3.2 Estación de máximo rendimiento
99
1.2.4
DIÁMETRO TUBERÍA
100
1.2.5
ESPESOR DE LA TUBERÍA
101
1.2.5.1 GENERALIDADES
102
1.2.5.2 DEFINICIONES
102
1.2.5.3 CLASIFICACIONES
105
1.2.5.4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
106
1.2.5.5 DIMENSIONES
107
1.2.5.6 RESULTADOS
108
PÉRDIDAS DE CARGA
110
1.2.6
88
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Cálculos
1.2.7
1.2.8
1.2.9
1.2.6.1 DEFINICIONES Y DATOS
110
1.2.6.2 RESULTADOS
111
1.2.6.2.1 Estación de mínima capacidad
111
1.2.6.2.2 Estación de máximo rendimiento
112
CÁLCULO NPSH DISPONIBLE
113
1.2.7.1 PLANTEAMIENTO Y EJEMPLO
113
1.2.7.2 SUMERGENCIA
114
1.2.7.3 RESULTADOS
114
1.2.7.3.1 Estación de mínima capacidad
115
1.2.7.3.2 Estación de máximo rendimiento
116
GOLPE DE ARIETE
117
1.2.8.1 DETALLE
117
1.2.8.2 RESULTADO
119
1.2.8.2.1 Estación de mínima capacidad
119
1.2.8.2.2 Estación de máximo rendimiento
120
POZO DE BOMBEO
120
1.2.9.1 CAUDAL DE BOMBEO
121
1.2.9.2 CAUDAL DE ABASTECIMIENTO DE LA RED PÚBLICA DE DISTRIBUCIÓN
121
1.2.9.3 NÚMERO DE ARRANQUES POR HORAS DE LAS BOMBAS
121
1.2.9.4 TIEMPO ENTRE ARRANQUES
121
1.2.9.5 VOLUMEN MÍNIMO
122
1.2.9.6 RESULTADOS
123
89
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Cálculos
1.2.1 CAUDAL DE CONSUMO
En esta parte, se calcula el caudal según las normas de diseño abastecimiento del Canal de Isabel II. El caudal de agua de consumo se determina considerando las dotaciones, las demandas y los coeficientes punta de consumo.
1.2.1.1
DOTACIONES
La dotación es el volumen de agua asignado a una unidad de la superficie abastecida en agua por unidad de tiempo de consumo. Esta expresada en la norma en litros por habitante y día, metros cúbicos por vivienda y día, litros por metros cuadrados y día o bien litros por hectárea y día.
Las dotaciones específicas de suministro son las dotaciones en función del uso del suelo previsto en planeamiento. Estos valores han sido determinados por el Canal Isabel II.
1.2.1.2
DEMANDAS
La demanda es el volumen de agua asignado a la población abastecida por unidad de tiempo.
Se calcula en función de todos los usos que se prevé que vayan a consumir en la zona a abastecer que es en ese caso la vivienda o bien el piso. Para su obtención, se tendrá en cuenta la Tabla I, donde figuran las dotaciones específicas para diferentes usos.
90
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Cálculos Está denominada demanda zonal de una determinada área de igual uso, el volumen diario de suministro que resulta de multiplicar la dotación especifica correspondiente al uso del suelo de dicha zona por la superficie del mismo.
Demanda zonal i (m3/d) = A i · d i Siendo:
Ai (m²) = Área o edificabilidad según el uso (i) determinado di (m3/d/m²) = Dotación específica para el uso (i)
La demanda total de una área determinada se considera a la suma de las demandas zonales correspondientes a todo y cada uno de los usos del suelo en dicha área.
Demanda total (m3/d) = ∑i (A i · d i)
1.2.1.3
CAUDALES
Se denomina caudal medio de suministro al caudal medio instantáneo que corresponde a la demanda total.
Caudal medio: Qm (l/s) = Demanda total (m3/d) / 86,4
Se denomina caudal de punta al caudal de cálculo que resulte de aplicar del caudal medio el coeficiente de punta instantáneo.
Caudal punta: Qp (l/s) =Cp Qm (l/s)
91
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Cálculos El coeficiente punta instantáneo (Cp) es una constante adimensional que adopta los siguientes valores:
Aguas arriba del depósito regulador
Cp=1
En impulsiones a depósito regulador
Cp=24/(horas de bombeo)
Aguas abajo del depósito regulador
Cp=1,8(1+(1/Qm)0,5) < 3
Tabla 17: Tabla de las dotaciones especificas (extraída de las normas para el abastecimiento de agua de Canal de Isabel II)
Las redes de distribución se dimensionan a caudal punta.
Las condiciones de alimentación a depósito se dimensionan a caudal medio siempre que la capacidad de regulación supere el 50% de la demanda diaria.
92
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Cálculos
1.2.1.4
RESULTADOS
En ese proyecto se estudia el bombeo de agua potable para un edificio de viviendas definido previamente en la memoria. Con los elementos del edificio se calcula los caudales de consumo. Superficie Piso
200 m²
Número de Pisos
61 viv
Número de Plantas
15 plantas
Número de Pisos por plantas
4 viv
Servicios de la piscina
1 viv
Tabla 18: Tabla resumen de los datos del edificio
Volumen renovado
10%
Periodo correspondiente
1
del volumen de la piscina 50733,3333 L semana
604800 s
Caudal de reposición 0,08388448 L/s Tabla 19: Tabla de datos de la piscina y caudal de reposición
Dotación especifica
1,2 m3/viv/d
Demanda zonal
73,2 m3/d
Demanda total
73,2 m3/d
Caudal medio
0,8472 L/s
Aumento de Caudal
0,0006 L/s
Caudal de calculo
0,8478 L/s
Coeficiente punta
3,7549 < 3
Caudal punta
2,5434 L/s
Tabla 20: Tabla resumen de los resultados del caudal de consumo
Caudal total de consumo del edificio
2,6273 L/s
Tabla 21. Tabla resumen del caudal total de consumo
93
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Cálculos
1.2.2 VOLUMEN DEL ALJIBE SUPERIOR
En esa parte se calcula el volumen del aljibe superior del edificio. Están ya explicadas en la memoria las condiciones del cálculo, entonces aquí se considera más los aspectos técnicos del problema. También, se sigue el procedimiento de cálculo del manual para el proyectista de la empresa ABS adaptado al proyecto.
El criterio del volumen mínimo viene del calentamiento que experimenta un motor en el arranque. De ese calentamiento, el calor necesita disiparse antes de repetir el proceso. De hecho la intensidad puede multiplicarse por seis en ese momento. Las consecuencias se recuperan negativamente en el aislamiento de los cables que forman parte del motor.
1.2.2.1
POTENCIA DE LA BOMBA
En la tabla siguiente se indica el número máximo de arranques por hora recomendado en función de la potencia nominal de los motores:
Tabla 22: Tabla arranques por hora (extraída de las normas para el abastecimiento de agua de Canal de Isabel II)
Los motores menores de 11kW pueden arrancar hasta 20 veces en una hora lo que sumado a caudales de consumo pequeños permite estaciones (especialmente las prefabricadas) muy pequeñas.
94
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Cálculos
1.2.2.2
TIEMPO ENTRE ARRANQUE
Una vez calculado el número máximo de arranques por hora se calcula el periodo T de tiempo mínimo entre dos arranques consecutivos mediante la expresión siguiente:
El número de arranques por hora depende de la relación entre el caudal entrante y el caudal consumido. Para el cálculo del aljibe superior, todavía no se sabe el caudal de bombeo. Entonces se calculan varios volúmenes con un rango de valores de número de arranques para dibujar una curva y luego elegir más adecuadamente.
1.2.2.3
VOLUMEN ÚTIL MÍNIMO
Pues para su cálculo, se tiene en cuenta el caudal de consumo de punta para cubrir todas las situaciones.
El volumen útil mínimo viene dado por:
El volumen depende entonces de dos variables bien determinadas con respeto a la fórmula del manual para proyectista de la empresa ABS.
1.2.2.4
RESULTADOS
Como se ha dicho en la memoria, estas dos variables no tienen carácter de constantes, así que se van a presentar los resultados en forma de graficas.
95
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Cálculos Bombas de menos de 11kW n [1/h]
T [s]
Bombas de 11kW hasta 37kW
V [L]
n [1/h]
T [s]
V [L]
1
3600
9458
1
3600
9458
2
1800
4729
2
1800
4729
3
1200
3153
3
1200
3153
4
900
2365
4
900
2365
5
720
1892
5
720
1892
6
600
1576
6
600
1576
7
514
1351
7
514
1351
8
450
1182
8
450
1182
9
400
1051
9
400
1051
10
360
946
10
360
946
11
327
860
11
327
860
12
300
788
12
300
788
13
277
728
13
277
728
14
257
676
14
257
676
15
240
631
15
240
631
16
225
591
16
225
591
17
212
556
17
212
556
18
200
525
19
189
498
20
180
473
Tabla 23: Tabla volumen del aljibe superior
En la primera columna de la tabla se recoge los números de arranques por hora de las bombas con los límites en color. En la segunda columna, son los tiempos entre dos arranques. La tercera, da le volumen que corresponde al caudal de consumo calculado previamente.
96
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Cálculos
número de arranques por hora
Volumen del aljibe superior en función del número arranques por hora 19 16 13 Bombas de 11kW hasta 37kW
10 7
Bombas de menos de 11kW 4 1 0
2000
4000
6000
8000
10000
Volumen en L
Figura 46 Gráfica Volumen del aljibe superior
Resultados retenidos para las estaciones: Resumen para el proyecto Estación de mínima capacidad
Alternativas Volumen Aljibe superior
Va=
946 L
Estación máximo rendimiento Va=
4729 L
Tabla 24: Tabla volumen del aljibe superior resultado
1.2.3 CAUDAL DE BOMBEO
1.2.3.1
PLANTEAMIENTO DEL CÁLCULO CÁL
En esta parte, se calcula el caudal según los principios descritos en la memoria, los caudales para el diseño de la tubería así que de las bombas.
97
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Cálculos La definición de un caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. En el caso de ese proyecto el volumen de agua es el volumen útil del aljibe superior. Para el tiempo de bombeo, tiene límite superior: el periodo de tiempo que separa los dos arranques sucesivos que corresponden el dimensionamiento del aljibe superior. Lo que significa que no puede bombear un volumen de agua en un periodo de tiempo más largo que el periodo de tiempo de consumo de este mismo volumen de agua.
Pues como se ha explicado en la memoria, se coge el periodo de tiempo mínimo que pueda soportar una bomba entre dos arranques consecutivos. Así, se asegura el funcionamiento en continuo de las bombas.
1.2.3.2
RESULTADOS
En tabla siguiente se recoge los datos elegidos para el proyecto. Resumen para el proyecto Alternativas
Estación de mínima capacidad
Estación máximo rendimiento
Volumen Aljibe superior
Va=
946 L
Va=
4729 L
Caudal de Bombeo
Qb=
5,25 L/s
Qb=
22,33 L/s
Número máximo de arranques por hora
Zm=
20
Zm=
17
Tabla 25: Tabla volumen del aljibe superior resultado resumido
1.2.3.3
ANÁLISIS
A continuación se presentan gráficas para ver como cambiarían los caudales fijando parámetros y haciendo variar uno. En estas dos gráficas, se ha fijado el volumen del aljibe superior. Poniendo bombas más potentes baja el número máximo de arranques por hora, lo cual impone, siguiendo el criterio más arriba explicado, bombear con caudales cada
98
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Cálculos vez más pequeños. Parece contradictorio, entonces se busca la bomba con potencia, número de arranques para el caudal que corresponde. En el caso del proyecto, las potencias son relativamente bajas, lo cual permite aprovechar los caudales más importantes.
1.2.3.3.1
Estación de mínimo capacidad
El volumen del aljibe superior es de 950L.
Caudal de bombeo (L/s) en función del número máximo de arranques por hora 5,50 5,25
Caudal de bombeo (L/s)
5,00
4,99 4,73
4,50
4,47 4,20
4,00
3,94 3,68
3,50
3,42 3,15
3,00
2,89 2,63
2,50
Estación de mínima capacidad
2,00 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Número máximo de arranques por hora
Figura 47 Gráfica Caudal de bombeo pequeño aljibe
1.2.3.3.2
Estación de máximo rendimiento
El volumen del aljibe superior es de 4800L.
99
19
20
21
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Cálculos
Caudal de bombeo (L/s) en función del número máximo de arranques por hora 25,00 22,33 21,02
Caudal de bombeo (L/s)
20,00
19,70 18,39 17,08 15,76
15,00
14,45 13,14 11,82 10,51
10,00
9,20 7,88 6,57 5,25
5,00
Estación máximo rendimiento
3,94 2,63 0,00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Número máximo de arranques por hora
Figura 48 Gráfica Caudal de bombeo gran aljibe
1.2.4 DIÁMETRO TUBERÍA
El dimensionamiento del diámetro de la tubería se hace con la fórmula a continuación dada por el manual del proyectista de ABS.
100
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Cálculos Para:
Q=5,31L/s
Q=22,6L/s
V (m/s)
DN (mm)
DN (mm)
1,6
65
134
1,7
63
130
1,8
61
126
1,9
60
123
2,0
58
120
2,1
57
117
2,2
55
114
2,3
54
112
2,4
53
109
2,5
52
107
2,6
51
105
2,7
50
103
2,8
49
101
2,9
48
100
3,0
47
98
Tabla 26: Tabla diámetro tubería en función de la velocidad
Para la estación de mínima capacidad, se eligió el diámetro el más grande para evitar demasiadas pérdidas de cargas. De esa forma también se evitan ruidos. Por otra parte tener una velocidad reducida en las conducciones permite tener anclajes más pequeños ya que los esfuerzos dependen de las velocidades.
1.2.5 ESPESOR DE LA TUBERÍA
Esa parte se basa sobre las normas de la empresa Canal de Isabel II para el dimensionamiento de tuberías.
101
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Cálculos
1.2.5.1
GENERALIDADES
Los tubos de PE objeto del presente artículo deberán cumplir, en general, con lo especificado para los mismos en la norma UNE-EN 13.244:2003, partes 1 a 5.
1.2.5.2
DEFINICIONES
Complementariamente a las definiciones del presente proyecto, en los tubos de PE serán de aplicación las siguientes de manera específica:
- Diámetro nominal, DN En los tubos de PVC-O la designación genérica DN se refiere al diámetro exterior (OD).
- Relación de dimensiones estándar, SDR Relación entre el diámetro nominal (DN) y el espesor nominal (e) del tubo.
- Serie, S Relación entre el radio medio teórico (rm) y el espesor nominal (e) del tubo.
Ambos ratios, SDR y S, se relacionan según la expresión siguiente:
102
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Cálculos
- Rigidez circunferencial específica, Sc Característica mecánica del tubo que representa su rigidez a flexión transversal por unidad de longitud del mismo a corto plazo (S0) o a largo plazo (S50). Se define mediante la expresión:
SC rigidez circunferencial específica, en N/mm2 E módulo de elasticidad a flexión circunferencial, en N/mm2 I momento de inercia de la pared del tubo por unidad de longitud (I = e3/12, en mm3) e espesor nominal de la pared del tubo, en mm EI factor de rigidez transversal, en N x mm Dm diámetro medio teórico del tubo (Dm=DN-e), en mm
Por la propia definición de Sc, ésta se relaciona con el parámetro S mediante la expresión:
- Rigidez nominal, SN Valor que coincide aproximadamente con la rigidez circunferencial específica a corto plazo (S0), expresada en kN/m2.
103
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Cálculos - Presión nominal, PN Valor que coincide con DP en utilización continuada durante 50 años (largo plazo) a la temperatura de servicio de 25ºC. Para otras temperaturas del agua la PN deberá corregirse por un factor de corrección, Fc (ver artículo II.2.3.4).
- Límite inferior de confianza, LCL Cantidad, expresada en MPa, que puede considerarse como una propiedad de un material, y que representa el límite inferior de confianza al 97,5% de la resistencia hidrostática a largo plazo prevista para el agua a 20ºC durante 50 años.
- Tensión Mínima Requerida, MRS Valor del límite inferior de confianza (LCL) aproximado por defecto al número más próximo de una serie de números normalizados (Serie R20 de los números de Renard), según lo indicado en la Tabla 10.
Tabla 27: Tensión mínima requerida, Valores de aplicación de las Series de los números de Renard (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
- Tensión de diseño, σs Tensión a tracción admisible del material. Se determina dividiendo la Tensión Mínima Requerida (MRS) por un coeficiente de seguridad (C) denominado "coeficiente de diseño", el cual deberá ser seleccionado de entre alguno de los siguientes (serie R20 de los números de Renard): 1,12 - 1,25 - 1,40 - 1,60 - 1,80 - 2,00 - 2,24 - 2,50 - 2,80
104
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Cálculos
Los parámetros anteriores se relacionan mediante las siguientes expresiones:
1.2.5.3
CLASIFICACIONES
Los tubos de PE de pared lisa se clasificarán por su diámetro nominal (DN), por su presión nominal (PN) y por la Tensión Mínima Requerida (MRS) del material.
Los valores normalizados de estos parámetros para conducciones a instalar en redes nuevas, así como sus posibles combinaciones, serán tal como se muestra en la Figura siguiente, los cuales corresponden a un coeficiente de seguridad C de 1,25 que es el propuesto en UNE-EN 13.244:2003 por defecto.
Tabla 28: Clasificación de los tubos de PE de pared lisa (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
105
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Cálculos
1.2.5.4
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
El modulo de elasticidad del material a corto plazo, E0, será como mínimo, de1.000 N/mm² y a largo plazo, E50, de 150 N/mm². La resistencia mínima a flexotracción a corto o largo plazo será, respectivamente, 30 o 14,4 N/mm².
Los tubos deberán cumplir, además, con las siguientes características mecánicas de forma especifica: -Solo se podrán emplear tubos de PE de MRS 10N/mm² (PE100). -El coeficiente de seguridad C recomendado en UNE-EN 13.244:2003 es 1,25, si bien dicha norma prevé la posibilidad de utilizar valores mayores, como los de la Tabla siguiente.
Tabla 29: Características mecánicas del Polietileno PE100 (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
-La tensión de diseño (σs = MRS / C) adoptara los valores de la Tabla anterior según sea el C adoptado. Sombreados se marcan los valores habituales. -Los valores de la PFA de los tubos serán los que se indican en la tabla siguiente en función de la PN de la conducción, para la temperatura de 20°C. Para otras temperaturas, la PFA será la resultante de multiplicar la PN por el factor de corrección Fc (PFA = PN x Fc).
106
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Cálculos
Tabla 30: PFA en función de PN en los tubos de PE, a 20°C y FC de PN para T>20°C (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
Las principales características técnicas de los tubos de PVC-O, una vez fabricados, serán las que se indican en la Tabla 11. Los valores mínimos admisibles para el MRS serán 45 y 50 N/mm2, denominándose PVC-O 450 ó 500, conforme se indica en la Tabla 12.
1.2.5.5
DIMENSIONES
Las dimensiones normalizadas de los tubos de PE serán las que se indican en la tabla siguiente. La longitud normalizada de los tubos será 6 metros (longitud sin la copa del tubo).
107
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Cálculos
Tabla 31: Dimensiones de los tubos de PE para aplicaciones bajo presión hidráulica interior (extraída de las normas para Redes de reutilización del Canal de Isabel II)
1.2.5.6
RESULTADOS
Partiendo de un MRS de 10 MPa con respecto a la norma para materiales PE, material con el cual se ha calculado las pérdidas de carga.
El coeficiente de seguridad para el presente proyecto será de C = 1,25 (coeficiente de seguridad recomendado por la norma UNE-EN 13.244:2003).
El DN calculado en la parte anterior es DN125 para la estación de máximo rendimiento y DN65 para la estación de mínima capacidad.
La altura total de servicio es la altura en la tubería de impulsión. El cual se multiplica por un coeficiente de 1,2 (o 1,15) para que aguante las variaciones debidas al funcionamiento de la estación. Se convierte a Pascales. Siguiendo el método descrito anteriormente, se añade coeficientes para varios coeficientes en previsión de efectos de temperatura. Para T=40°C, el factor de corrección es de 0,6. Pues la PN = PFA / Fc.
Por lo tanto, el espesor mínimo calculado está dado en función de las dos alternativas del proyecto en la tabla siguiente:
108
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Cálculos Estación de mínima capacidad Cálculo MRS
Dimensión comercial 10 MPa
C
1,25
DN
65 mm
65 mm
PN
74,82 mca
14 bar
c.s.
15%
Fc
0,6 e=
5,71 mm
5,71 mm
Tabla 32: Resultado de tubería para la estación de mínima capacidad
Tubo del comercio correspondiente: PE HD 100PN-16 63x5,8 con referencia HDPE-063-058-016.
Estación máximo rendimiento Cálculo MRS
Dimensión comercial 10 MPa
C
1,25
DN
125 mm
125 mm
PN
73,97 mca
15 bar
c.s.
20%
Fc
0,6 e=
11,33 mm
11,33 mm
Tabla 33: Resultado de tubería para la estación de máximo rendimiento
Tubo del comercio correspondiente: PE HD 100PN-16 125x11,4 con referencia HDPE-125-114-016.
El dimensionamiento mecánico de los tubos de materiales termoplásticos, independientemente de su tipología (PVC-O o PE), se realizará conforme a lo especificado en la norma UNE 53.331:1997 IN (la cual sigue el conocido como
109
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Cálculos método ATV), debiendo utilizar para su aplicación la ayuda de algún programa de ordenador desarrollado al respecto.
1.2.6 PÉRDIDAS DE CARGA
1.2.6.1
DEFINICIONES Y DATOS
A fin de calcular las pérdidas de carga en las instalaciones, se recoge en la tabla a continuación los equipos que las componen. Estación de mínima capacidad Pipe
HDPE - DN80, PN 10
Elbows
HDPE - DN80, PN 10
Isolating valves
Flat slide valve, DN80
Special articles
Inlet rounded DN80
Pipe
HDPE - DN65, PN10
Elbows
HDPE - DN65, PN10
Isolating valves
Flat slide valve, DN65 Flat non-return valve, DN65
Special articles
Outlet after fittings, DN65
T-Junction
Confluence, 90°, DN65
Estación de máximo rendimiento Pipe
HDPE - DN125 (140x12,8), PN10
Elbows
HDPE - DN125 (140x12,8), PN10
Transition
Conical necking DN125-DN80
Special articles
Inlet rounded DN125
Transition
Diffueser 8° DN65-DN125
Isolating valves
Flat slide valve, DN125 Flat non-return valve, DN125
Special articles
Outlet after fittings, DN125
T-Junction
Confluence, 90°, DN125
Tabla 34: Tabal de datos para cálculos de pérdidas de carga
110
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Cálculos Las formulas utilizadas para los cálculos son las siguientes:
Siendo:
-J: Pérdidas de carga continua, por unidad de longitud, m/km. -∆Hc=Hv: Pérdidas de carga, en mca. -L: longitud del tubo. - ζ: coeficiente dependiendo de la pieza y del caudal. -v: velocidad del fluido en la tubería, m/s. -g: aceleración de la gravedad, m/s².
Los coeficientes ζ y J tienen tablas, adjuntas en anejos. Para llevar a cabo los cálculos, se ha utilizado las tablas.
1.2.6.2
1.2.6.2.1
RESULTADOS
Estación de mínima capacidad
Tubo: DN 80, L=10m, k=0,04, Q=5,3m3/s, J=15m/Km
Hv=0,224mca
Codo: DN 80, φ=90°, R=66mm, ζ=0,6, v=1,6m/s
Hv=0,0339mca
Válvula de compuerta: DN 80, v=1,05m/s, ζ=0,35
Hv=0,0199mca
Aspiración: DN 80, v=1,05m/s, ζ=0,25
Hv=0,0142mca Total Aspiración:
Tubo: DN 65, L=70m, k=0,04, Q=5,3m3/s, J=56m/Km
111
Hv=0,292mca
Hv=3,93mca
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Cálculos Codo: DN 80, φ=90°, R=61mm, ζ=0,42, v=1,6m/s
Hv=0,0545mca
(x3) Válvula de compuerta: DN 80, v=1,6m/s, ζ=0,6
Hv=0,0783mca
(x3) Válvula antiretorno: DN65, v=1,6m/s, ζ=1,9
Hv=0,248mca
Salida: DN65, v=1,6m/s, ζ=2
Hv=0,261mca Total Impulsión:
Hv=4,837mca
Pérdidas totales: Hv=5,129mca
1.2.6.2.2
Estación de máximo rendimiento
Tubo: DN 125, L=10m, k=0,04, Q=22,6m3/s, J=37,9m/Km
Hv=0,379mca
Codo: DN 125, φ=90°, R=126mm, ζ=0,5, v=1,84m/s
Hv=0,0856mca
Cono: DN1=125, DN2=80, ζ=0,09, v=1,84m/s
Hv=0,0154mca
Válvula de compuerta: DN 80, v=4,5m/s, ζ=0,35
Hv=0,361mca
Aspiración: DN 125, v=1,84m/s, ζ=0,25
Hv=0,0432mca Total Aspiración:
Hv=0,884mca
Tubo: DN 125, L=70m, k=0,04, Q=5,3m3/s, J=37,9m/Km
Hv=2,65mca
Codo: DN 125, φ=90°, R=126mm, ζ=0,5
Hv=0,0857mca
(x3) Cono: DN1=65, DN2=125, ζ=0,111, v=6,8m/s
Hv=0,262mca
Válvula de compuerta: DN 125, v=1,84m/s, ζ=0,3
Hv=0,052mca
(x3) Válvula antiretorno: DN125, v=1,84m/s, ζ=1,7
Hv=0,294mca
Salida: DN125, v=1,84m/s, ζ=2
Hv=0,346mca Total Impulsión:
Pérdidas totales: Hv=4,854mca
112
Hv=3,97mca
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Cálculos
1.2.7 CÁLCULO NPSH DISPONIBLE
1.2.7.1
PLANTEAMIENTO Y EJEMPLO
Si se conoce el NPSHrequerido por la bomba, dado por su fabricante, la previsión de la cavitación se reduce al cálculo del NPSHdisponible de la instalación.
NPSHdisponible = Presión atmosférica ± Hg – Hv – Presión de vapor
Presión atmosférica= 10,33 mca Hg = Lámina de agua sobre el impulsor (+) o por debajo del impulsor (-) Hv = Pérdidas de carga en la aspiración Presión de vapor = La del líquido a la temperatura considerada (ver tabla siguiente)
Tabla 35: Presión de vapor del agua desde 0°C a 49°C (extraída del manual del proyectista de ABS)
Si se considera una bomba sumergida, con el nivel mínimo en el pozo a 0,50m sobre el impulsor y agua a 25ºC:
NPSHdisponible = 10,33m + 0,50m – 0,32m = 10,51m 113
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Cálculos
En estas condiciones, adoptando el factor de seguridad de 0,50 m indicado anteriormente, se podría instalar sin peligro una bomba con un NPSHrequerido de 10,51m – 0,50m = 10,01m. Se debe hacer este cálculo para el caso más desfavorable: cuando el nivel de agua en el pozo de bombeo sea mínimo.
1.2.7.2
SUMERGENCIA
La sumergencia recomendada se puede calcular mediante la expresión:
S es la distancia entre el nivel mínimo de agua y la voluta (m). D es el diámetro exterior de la voluta o de la campana de aspiración (m). Qp es el caudal unitario (m3/s). Por otra parte, al aumentar la sumergencia aumenta también Hg y el NPSHdisponible.
1.2.7.3
RESULTADOS
A continuación, están recogidos todos los resultados de los cálculos anteriormente detallados.
114
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Cálculos
1.2.7.3.1
Estación de mínima capacidad Estación de mínima capacidad Descripción valores unidades Caudal
5,25 L/s
Diámetro tubo de aspiración
80 mm
Sumergencia
0,30 mca
Sumergencia minima propuesta por ABS
Altitud Presión atmosférica
Temperatura
0,50 mca
500 m 9,52 mca
50 °C
Presión de vapor
0,12 mca
Sumergencia
0,50 mca
Presión atmosférica
9,52 mca
Presión de vapor
0,12 mca
Pérdidas de carga en la aspiración
0,29 mca
NPSHd=
9,61 mca
Tabla 36: Resultados NPSHd, estación de mínima capacidad
115
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Cálculos
1.2.7.3.2
Estación de máximo rendimiento Estación máximo rendimiento Descripción valores unidades Caudal
22,33 L/s
Diámetro tubo de aspiración
125 mm
Sumergencia
0,60 mca
Sumergencia mínima propuesta por ABS
0,50 mca
Altitud
500 m
Presión atmosférica
9,52 mca
Temperatura
50 °C
Presión de vapor
0,12 mca
Sumergencia
0,60 mca
Presión atmosférica
9,52 mca
Presión de vapor
0,12 mca
Pérdidas de carga en la aspiración
0,88 mca
NPSHd=
9,12 mca
Tabla 37: Resultados NPSHd, estación de máximo rendimiento
Resumen para el proyecto Estación de mínima capacidad
Alternativas
Estación máximo rendimiento
Volumen Aljibe superior
Va=
946 L
Va=
4729 L
Caudal de Bombeo
Qb=
5,25 L/s
Qb=
22,33 L/s
Volumen Pozo de Bombeo
Vp= 236,46 L
Vp= 3616,44 L
Caudal de relleno del Pozo
Qr=
Qr=
Coeficientes de seguridad
c.s.=
1,5
c.s.=
2
Número máximo de arranques por hora
Zm=
20
Zm=
17
NPSHrequerido
NPSHr=
NPSHdisponible
NPSHd=
3,94 L/s
1,4 mca
NPSHr=
2,6 mca
9,61 mca NPSHd=
9,12 mca
Tabla 38: Resultados NPSHd, resumen
116
5,25 L/s
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Cálculos
1.2.8 GOLPE DE ARIETE
1.2.8.1
DETALLE
Al objeto de determinar la presión máxima de diseño (MDP), el cálculo de las presiones que puedan actuar sobre la tubería debe incluir la determinación del golpe de ariete (sobrepresiones y depresiones). Si para resistir dicho golpe de ariete no se dispone ni de una chimenea de equilibrio ni de un calderín, pueden utilizarse las fórmulas simplificadas de Michaud o de Allievi para el cálculo de las sobrepresiones, en función de cuál sea la longitud L de la conducción. En cualquier caso, la presión máxima de diseño (MDP) no será inferior a 1,20 veces la presión de diseño (DP).
Conducciones cortas (fórmula de Michaud)
Conducciones largas (fórmula de Allievi)
Siendo: ∆P sobrepresión debida al golpe de ariete, en m L longitud de la tubería, en m v velocidad de circulación del agua, en m/s 117
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Cálculos T tiempo efectivo de cierre, en s g aceleración de la gravedad (g = 9,81 m/s2) a celeridad (velocidad de propagación de las ondas), en m/s
Dm diámetro medio de la tubería, en mm e espesor de la tubería, en mm E módulo de elasticidad del material de la tubería, en kg/m2 (ver Tabla 30)
Tabla 39: Volumen del modulo de elasticidad de las tuberías en función del material constitutivo
118
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Cálculos
1.2.8.2
1.2.8.2.1
RESULTADO
Estación de mínima capacidad Estación de mínima capacidad PN
14 bar
DP
7,34 bar
MDP
9,77 bar
MDP/DP
1,33 >1,2
Longitud
70 m
∆P
2,43 bar
v
1,70 m/s
T
0,455 s conducciones cortas
g
9,81 m/s²
a
307,80 m/s
Dm
57,2 mm
DN
63 mm
Dint
51,4 mm
e
5,8 mm
E
100000000 kg/m²
Kc
100
Qb
5,31 L/s
Tabla 40: Resultado espesor, estación de mínima capacidad
119
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Cálculos
1.2.8.2.2
Estación de máximo rendimiento Estación máximo rendimiento PN
15 bar
DP
7,25 bar
MDP
8,57 bar
MDP/DP
1,18