ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES 1. Definición 2. Clasificación de las estaciones de bombeo de desagüe 3. Tipos de estaciones 4. Componentes de la estación de bombeo Criterios de diseño. Ejemplo de diseño.

ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES 1. Definición Las estaciones de bombeo tienen como función trasladar las aguas residuales de un nivel mas bajo a un nivel mas alto mediante el empleo de equipos de bombeo. 2. Clasificación de las estaciones de bombeo de desagüe Las estaciones han sido clasificadas de diversas maneras y los criterios más comunes son:  Capacidad (m3/s, m3/h, l/s)  Fuente de energía (electricidad, diesel, etc.)  Método constructivo (convencional, pre moldeada, etc.)  Altura manométrica.  Función específica. De acuerdo con la capacidad, las estaciones de desagüe son clasificadas en:  Pequeñas (menos de 50 l/s)  Medias (de 50 a 100 l/s)  Grandes (superiores a 500 l/s)

 De acuerdo a su carga en:   

Bajas (menos de 10 mca) Medias (10 a 20 mca) Altas (superiores a 20 mca)

Clasificación de las estaciones en función del tipo, capacidad y método constructivo Clasificación de las estaciones Estaciones/Tipo Eyector neumático Premoldeada Pozo húmedo Pozo seco Convencional Pequeño Medio Grande

Capacidad m3/s < 0,02 0,006 – 0,03 0,006 -> 0,1 0,2 – 0,09 0,06 – 0,65 > 0,65

3. Tipos de estaciones La selección del tipo de estación dependerá de los siguientes factores: Localización; capacidad de la estación; número, tipo y tamaño de las bombas; proyecto estructural; proyecto arquitectónico aspectos estéticos. También la estación pude ser definido por el área disponible para su construcción o aún por su superestructura. Los tipos de estaciones pueden ser clasificadas a través de las bombas a se utilizadas. Tipo de estaciones Bomba

Tipo de Estación

Eyector neumático Tornillo sin fin Centrífuga

Estación con eyector neumático Estación con bomba tornillo sin fin Estación convencional

Estaciones de Bombeo de Aguas Residuales

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Estaciones elevadoras con eyector neumático Las estaciones con eyector neumáticos son utilizados para impulsar pequeños caudales a alturas manométricas reducidas. La capacidad del eyector varía normalmente de 5 a 15 l/s no pasando de 20 l/s, considerando que para caudales superiores a esta, el consumo de energía crece demasiado. Las estaciones con eyector deben ser proyectadas siempre con una unidad de reserva a fin de asegurar que el servicio no se interrumpa en caso de falla mecánica de una unidad o durante los períodos en que se torna necesario remover el equipamiento para reparación, mantenimiento o limpieza. Las pérdidas de carga en la línea de impulsión pueden ser calculadas por las fórmulas usuales. Es recomendable que se considere el doble del caudal de proyecto para efectos de ese cálculo. El eyector es razonablemente libre de problemas operacionales, mas mecánicamente es menos eficiente del que la bomba y su eficiencia está limitada a cerca del 15% que es bastante baja. Sus principales ventajas son: El desagüe permanece encerrado durante su paso por el eyector y consecuentemente no hay escape de gas del desagüe a no ser por el respiro. El funcionamiento es completamente automático y el eyector solo funciona cuando es necesario. El número relativamente pequeño de piezas móviles en contacto con el desagüe requiere poca mantenimiento. Los eyectores no se obstruyen fácilmente. No es necesario el previo cribado del desagüe, pues las válvulas y conductos de conexión dejan pasar libremente cualquier sólido que entre al desagüe. El ciclo de operación es de 80 seg, siendo 70 seg para llenado y 10 seg para descarga; el consumo de energía es de 100 kw/mes.

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Estación con eyector neumático Estación con bombas de tornillo sin fin Debido a sus características, las estaciones con bombas de tornillo, generalmente son utilizadas próximo a estaciones de desagües fuera del área urbanizada. El proceso de elevación es enteramente visible en todos sus detalles, pudiendo conducir agua muy poluida sin mayor problema, dispensando inclusive el uso de gradas a la montante La cámara de ingreso debe ser proyectada de modo que la distancia entre el nivel de descarga y el nivel de lanzamiento sea igual al 15% del diámetro externo del tornillo y la distancia del lanzamiento sea aproximadamente de 50 mm. Para alcanzar la máxima eficiencia en el bombeo es esencial que la holgura entre las bombas y el fondo sea el menor posible. Para asegurar la holgura correcta se torna posible la obtención de un acabado liso, es usual y recomendable que la conformación final del lecho de fondo del concreto sea ejecutada con una bomba ya instalada. Para las bombas menores que 750 mm de diámetro de tornillo, se puede utilizar el lecho en capa de acero.

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Estación con bomba tornillo sin fin - Planta

Estación con bomba tornillo sin fin - Corte Estaciones convencionales Clasificación Pozo seco: Conjunto motor-bomba de eje horizontal. Conjunto vertical de eje prolongado – bomba no sumergida. Conjunto motor bomba de eje vertical – bomba no sumergida. Pozo húmedo: Conjunto vertical de eje prolongado – bomba sumergida. Conjunto motor bomba sumergido.

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c) Conjunto motor bomba de eje vertical – bomba no sumergida

Estaciones elevadoras de pozo seco

a) Conjunto vertical de eje prolongado – bomba sumergible

Estaciones elevadoras de pozo húmedo

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b) Conjunto motor bomba sumergido

Estaciones convencionales de pozo seco Las estaciones convencionales de pozo seco tienen un pozo de succión separado de la casa de bombas y como pozo de succión es dimensionado y detallado de la misma manera para todas las estaciones convencionales. La casa de bombas también denominada pozo seco o sala de bombas deberá ser adecuada para albergar los conjuntos seleccionados, incluido los elementos de montaje y los elementos hidráulicos complementarios. Las dimensiones de la casa de bombas deben igualmente permitir facilidades de locomoción, mantenimiento, montaje, desmontaje, entrada y salida de los equipamientos y aún albergar cuando fuera el caso, los dispositivos de servicio para maniobra y movimiento de las unidades instaladas. En el caso de del piso de la casa de bombas estar localizado abajo del nivel máximo del líquido en el pozo de succión, es recomendable que sea provista una bomba de drenaje. Deben ser adecuadamente iluminadas y ventiladas y sus formas y dimensiones deben ser en la medida de lo posible adecuadas desde los puntos de vista estructurales y económicos en cuanto al aspecto constructivo. Estaciones convencionales de pozo húmedo La tendencia actual para las estaciones elevadoras de pequeño y medio tamaño es la de utilizarse instalaciones de tipo convencional de pozo húmedo con conjunto motor bomba sumergido. Las estaciones que utilizan conjuntos motor bomba sumergidos son instalaciones simplificadas y totalmente enterradas, sin superestructuras. Las áreas necesarias para su instalación son menores, pueden funcionar en el mismo local sujeto a eventuales inundaciones a ser construidas en zonas densamente pobladas por ser enterradas y no exhalar olores sensibles. Como son totalmente subterráneas, no alteran la urbanización existente. De modo general estas estaciones elevadoras presentan costo global inferior a las estaciones con utilización de otros tipos de bombas.

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Estación elevadora convencional de pozo húmedo – Conjunto motor bomba sumergido. Estación circular. Planta y corte Bibliografía Concepción de sistemas de desagües sanitarios. Universidad de Sao Paulo. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Sanitaria

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4. Componentes de la estación de bombeo   

 

Tubería de succión Equipo de bombeo Árbol de descarga Cámara de recolección o húmeda Cámara seca

5. Dimensionamiento de las cámaras de recolección y bombeo 5.1. Introducción En el pasado al diseñar la cámara destinada a almacenar las aguas residuales y alojar los equipos de bombeo, se tenía en cuenta los siguientes criterios y requisitos: • Fácil acceso de los equipos y personal de operación y mantenimiento. • Mantener los niveles de ruido, dentro de los límites permisibles. • Puertas y/o accesos que permitan el manipuleo, montaje y desmontaje de los equipos. • El acceso a la cámara de recolección y a la cámara de bombeo se efectúa a través de pozos de registro o escotillas y también por escaleras verticales. Si no hubiese súper estructuras, pueden instalarse subterráneas en las galerías de calles, preferiblemente con entradas de acceso en las aceras o parcelas de césped, aunque a veces se haga en la calzada. • Por lo general, no se recomiendan bombas sumergidas poara bombeo de aguas residuales in tratar, debido a las dificultades que entraña la inspección y mantenimiento. 5.2. Dimensionamiento de la cámara de recolección Periodo de retención Se recomienda que el tiempo de retención se encuentre en el rango de 5 a 30 minutos; un mayor tiempo originaría que la cámara se comporte como un tanque séptico. Debe cumplirse que: Qb > Qms Tiempo de llenado Tiempo de llenado mínimo

Vutil t min = --------Qms

Tiempo de llenado máximo

Vutil t max = --------Qmim

Tiempo de bombeo Tiempo de bombeo mínimo

Vutil t min = -------------Qb- Qmin

Tiempo de bombeo máximo

Vutil t max = -----------Qb- Qms

Periodo de retención t = tmin llenado + tmin bombeo

…………… (1)

t1 = tmax llenado + tmax bombeo

…………… (2)

Caudales de diseño Estaciones de Bombeo de Aguas Residuales

Qmin = Q Qms = K.Q Donde K y K1 son coeficientes a determinar. De (1) se tiene: Vutil Vutil Vutil t = --------- + -------------- = --------Qms Qb –Qmin K.Q

Vutil + -----------K1Q-Q

De donde: t = Vutil

1 1 ------- + -----------KQ Q (K1-1)

De aquí se puede deducir la siguiente ecuación:

Vutil =

t.Q K (K1-1) -----------------(K1+K+1)

……………….(3)

De (2) se tiene: Vutil Vutil Vutil t1 = --------- + -------------- = --------Qmin Qb –Qms Q

Vutil + -------------K1Q-KQ

De donde se puede deducir la siguiente ecuación: Vutil =

t1.Q K (K1-K) -------------------(K1-K+1)

……………. (4)

Igualando las ecuaciones 3 y 4 y haciendo que: t1/t = a, se tiene: Vutil =

t.Q K (K1-1) t1.Q K (K1-K) ------------------ = ----------------------(K1+K+1) (K1-K+1)

De manera que tratando de resolver la ecuación para hallar K1, se tiene la siguiente ecuación cuadrática: (K-a ) K12 + (a-k2) K1 + K(K-1) (1+a) = 0 Esta ecuación, tendrá un resultado siempre y cuando se cumpla que: (a-K2 )2 > 4(K-a) K (K-1) (1+a) De manera que si se cumple la condición, la solución será: √ b2 – 4ac K1 = - b +/- -----------------2a

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6. Equipos de bombeo 6.1. Tipos de bomba Bombas Centrífugas Bombas Rotativas De émbolo (o de pistón) De pozo profundo (tipo turbina) llamadas comercialmente de eje vertical Bombas Centrífugas Para atender a su gran campo de aplicación, las bombas centrifugas son fabricadas en los más variados modelos, pudiendo ser seleccionadas tomando diversos criterios: Por el movimiento del líquido Aspiración o succión simple Doble aspiración Por la admisión del líquido Radial Diagonal Helicoidal Por el número de impulsores Un impulsor (o una etapa) Varios impulsores (o etapas o multietapas) Por el tipo de rotor Impulsor abierto Impulsor semiabierto Impulsor cerrado Impulsor a prueba de obstrucciones Por la posición del eje Eje vertical Eje horizontal Eje inclinado Por la presión Baja presión (Hman < = 15 m) Presión media (Hman de 15 a 50 m) Alta presión (Hman > 50 m)

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Potencia de los equipos

hf

Het

Hd

Hs

Het Hs inferior Hd Hs + Hd Ht Ht

= Altura geométrica; esto es, la diferencia de nivel (altura estática) = Altura de aspiración o succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre el nivel = Altura de descarga o altura del nivel superior en relación al eje de la bomba = Het = Carga total en el sistema de bombeo = Het + pérdidas de carga (totales)

La potencia de un equipo estará dada por:

γ Q Ht P= ----------75 η Donde: P = Potencia en Caballos de fuerza γ = Peso específico del líquido Q = Caudal de descarga en m3/seg Hman = Altura manométrica en m η = Eficiencia del sistema de bombeo = η motor . η bomba De donde se deduce que para una eficiencia media de 67% y expresando el caudal en l/seg, se encuentra que para agua potable o negra, la siguiente fórmula:

Q (l/seg) Hman P= ----------------50 Potencia instalada En la práctica, se debe admitir un cierto margen para los motores eléctricos. Los siguientes aumentos son recomendables: 50% para bombas hasta de 30% para las bombas de 20% para las bombas de Estaciones de Bombeo de Aguas Residuales

2 HP 2 a 5 a

5 HP 10 HP

15% para las bombas de 10% para las bombas de más de

10 a 20 HP 20 HP

Eficiencia de las máquinas La eficiencia de las máquinas puede variar con la potencia por razones de construcción. Esta eficiencia puede ser más elevada para máquinas grandes. Eficiencia de motores HP ηm

½ 64%

¾ 1 1½ 2 67% 72% 73% 75%

3 77%

5 81%

10 84%

20 86%

30 87%

50 88%

7.5 10 15 20 25 61% 72% 66% 68% 71%

30 80%

40 84%

50 85%

100 87%

200 88%

100 90%

Eficiencia de bombas centrífugas Q l/seg 5 ηb 52% Condiciones La velocidad del agua en la entrada del tubo de aspiración debe ser inferior a 0.90 m/seg. La profundidad útil en la cisterna o depósito de bombeo, o sea, la altura entre el nivel mínimo y la unión de la rejilla o a la boca de entrada de la tubería debe ser igual o superior a los límites siguientes: Condición hidráulica V2 h >= ---------2g

+ 0.20

Para impedir la entrada de aire h > = 2.5 D + 0.10 Esquema de la tubería de succión

h

h

>= 0.5 D

Criterios de diseño Criterios para el dimensionamiento del volumen efectivo de una cámara húmeda Tiempo mínimo = 5 min Tiempo máximo = 30 min Faja Operacional (FO) = 0.60 m Volumen efectivo = Vútil – (Vbomba + V motor + Vtub) Criterios para el dimensionamiento de la cámara húmeda Estaciones de Bombeo de Aguas Residuales

Desnivel entre el nivel máximo de agua y la tubería de entrada = 0.50 D o 0.10 m mínimo. Desnivel entre la boca de entrada y el fondo de la cámara húmeda = 0.50 D Altura entre el nivel mínimo de agua y la boca de entrada a la tubería de succión = h>= v2/2g + 0.20 h= 2,5D + 0.10

Referencias Bibliográficas Saneamiento I. Concepcao de Sistemas de Esgotos Sanitarios. Universidad de Sao Paulo. Escola Politecnica. Departamento de Engeharia Hidraulica e Sanitaria. . Alcantarillado y Drenaje Pluvial Tomo I. Eduardo Arias Govea. Manual de Hidráulica- José M. de Azevedo Netto Revisión: Abril 2011

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