UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Fundada en 1551 FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS E.A.P. DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS “DISEÑO DE UNA NUEVA LÍNEA DE IMPULSIÓN Y SELECCIÓN DEL EQUIPO DE BOMBEO PARA LAEXTRACCIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA PLANES DE EXPANSIÓN DE MÍNIMO COSTO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO EPS CHIMBOTE” TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO MECÁNICO DE FLUIDOS AUTOR VICTOR DAVID CHOY BEJAR LIMA – PERÚ 2002 AGRADECIMIENTOS • A Dios por darme la vida y las fuerzas para poder caminar en este mundo. • Al Ing. Reuter Aliaga por su apoyo en la asesoria a tiempo y fuera de tiempo para el desarrollo de la presente monografía. • A la Empresa BCEOM-OIST en la persona del Ing. José Rubio por su ayuda incondicional en la recolección de la información de campo. • A la Empresa CESEL S.A. en la persona de la Ing. Eufemia Elías por su excepcional apoyo y colaboración en la elaboración de presupuesto. • A la Universidad Nacional Mayor de San Marcos - Escuela Académica Profesional de Ingeniería Mecánica de Fluidos por haber sido mi alma mater y brindarme las facilidades en el uso de su biblioteca para realizar la recopilación de la información teórica para la presente monografía. • A mi madre Laura Bejar Rodríguez, por ser paciente y respaldarme incondicionalmente en todo momento, y de quien siempre recibí una palabra de aliento. • A mi familia por su compresión en mis horas de estudio. • A todas las empresas e instituciones que me apoyaron con cotizaciones para equipos e información técnica. • A mis profesores y amigos de quienes siempre recibí lo mejor. A MI AMADA MADRE POR SU CARI ÑO Y APOYO I NDESMALLABLE ÍNDICE AGRADECIMIENTOS RESUMEN 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.............................................................. 1 2. OBJETIVOS ......................................................................................................4 2.1 Objetivo General .......................................................................................4 2.2 Objetivos Específicos ...............................................................................4 3. INFORMACIÓN DE LA ZONA DEL PROYECTO........................................5 3.1 Ubicación de la Obra ................................................................................5 3.2 Topografía y Uso.......................................................................................5 3.3 3.4 Características Geológicas y Geotécnicas de la Zona......................... 6 Estado hidrogeológico del acuífero .........................................................7 3.5 Crecimiento Urbano y Poblacional – Consumo ....................................9 3.6 Rendimiento del Pozo ............................................................................. 10 4. PLANTEAMIENTO TEÓRICO Y METODOLOGÍA ...................................11 4.1 Del Diseño de la Línea de Impulsión.................................................... 11 4.1.1 Diámetro de Tubería ............................................................................ 11 4.1.2 Velocidad Media de Flujo ...................................................................11 4.1.3 Perdida de Carga en Tuberías ..............................................................12 4.1.3.1 Perdidas de Carga por Fricción ......................................................12 4.1.3.2 Perdidas de Carga Local ................................................................ 13 4.1.4 Potencia de Impulsión......................................................................... 13 4.1.4.1 Potencia de Consumo ..................................................................... 14 4.1.4.2 Potencia Instalada ..........................................................................15 4.1.5 4.2 Análisis de Sensibilidad Económica - Diámetro Económico..............15 De la Selección del Equipo de Bombeo ...............................................17 4.2.1 Curvas Característica Red y Bomba - Punto Optimo de Operación...17 4.2.2 Coeficiente de Velocidad Específica ...................................................19 4.3 4.4 Análisis de Flujo Transitorio - Fenómeno de Golpe de Ariete..........20 De la Cimentación ...................................................................................22 4.4.1 Comportamiento de Tuberías Enterradas ............................................ 22 4.4.2 Diseño de Anclajes ..............................................................................23 5. PLANTEAMIENTO TÉCNICO..................................................................... 26 5.1 Estudios Preliminares ............................................................................. 26 5.2 Parámetros y Criterios de Diseño ..........................................................29 5.2.1 De la Línea de Impulsión .................................................................... 29 5.2.2 Del Sistema de Bombeo ......................................................................33 5.2.3 Del Estudio de Flujo en Régimen Transitorio..................................... 34 5.2.4 De la Cimentación ...............................................................................35 6. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUMINISTRO............................................... 36 6.1 Memoria de Calculo de la Línea de Impulsión.................................... 36 6.1.1 Calculo del Diámetro y Pérdidas de Carga ..........................................36 6.1.2 Calculo de la Sobrepresión por Cierre Instantáneo............................. 39 6.1.3 Calculo de la Potencia ......................................................................... 41 6.1.3.1 Potencia de Consumo ..................................................................... 41 6.1.3.2 Potencia Instalada ...........................................................................41 6.1.4 6.2 Calculo de Costos Totales y Valores Presentes...................................42 Memoria de Calculo del Sistema de Bombeo ......................................44 6.2.1 Calculo de la Curva Característica de la Red ......................................44 6.2.2 Calculo de la Curva Característica de la Bomba ................................. 47 6.2.3 Calculo del Coeficiente de Velocidad Especifica ...............................49 6.3 Memoria de Calculo de la Cimentación...............................................50 6.3.1 Comportamiento de Tuberías Enterradas ............................................ 50 6.3.2 Diseño de Anclajes ..............................................................................51 7. RESULTADOS................................................................................................ 56 8. ANALISIS DE RESULTADOS......................................................................67 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..............................................70 10. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................. 73 11. ANEXOS......................................................................................................... 75 Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David RESUMEN El presente trabajo surge de la necesidad de dar solución a parte de los problemas existentes en el sistema de abastecimiento de agua potable que afecta a la ciudad de Chimbote debido al crecimiento urbano y poblacional y a la antigüedad de los sistemas de suministro que generan un abastecimiento racionalizado en cierto sectores de la población que han visto condicionada su situación sanitaria. Es así como se prevé que el diseño de la nueva línea de impulsión y la selección de su respectivo equipo de bombeo contribuyan a mantener un adecuado y seguro suministro de agua, la cual es almacenada en uno de los principales reservorios que alimenta al casco principal urbano de la ciudad. Mediante este diseño lo que se pretende es obtener la mejor opción técnica – económica que nos permita definir el tipo, diámetro y clase de tubería del tramo de mayor longitud que componente el sistema de suministro que va desde el pozo tubular P-03 hacia el reservorio R-2A, al menor costo de inversión presente cumpliendo con todos requerimientos que el diseño exige. Igualmente para la selección del equipo de bombeo se opta por una bomba que genere el menor costo de operación y mantenimiento posible durante el periodo de vida útil del equipo con un rendimiento acorde a las exigencias futuras de trabajo y con una capacidad de carga y caudal mayores a los que se determinan en el diseño de la línea de impulsión. Además como parte del trabajo se realiza el diseño de la cimentación con un breve análisis de la carga de relleno que soporta la tubería por un lado, y por el otro se realiza el diseño propiamente dicho de los bloques de anclaje que se requiere para la estabilidad de la línea cuando se realice su instalación (tubería enterrada), como se observa en el plano del perfil longitudinal que incluye además el nivel de presiones que experimenta cada uno de los puntos en la tubería por donde circula el agua en su recorrido hacia el reservorio. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El presente trabajo esta referido al sistema de suministro del abastecimiento de agua que forma parte del Estudio Definitivo de las Obras de Expansión de Mínimo Costo de Agua Potable y Alcantarillado, el cual es un estudio integral que plantea la solución del Abastecimiento de Agua Potable y Alcantarillado de la ciudad de Chimbote. Este sistema abastecerá al reservorio R-2A con agua subterránea desinfectada obtenida desde el pozo tubular P-03, debido a que el reservorio primario R-1 al cual llega la línea actualmente será abandonado en el futuro por estar en mal estado. El agua que abastece a esta localidad es de dos fuentes: subterránea (Pozos) y superficial (Río). Se realiza desinfección, como único tratamiento para potabilizar el agua proveniente de los pozos. El abastecimiento se realiza por zonas de acuerdo a la capacidad de los reservorios, los cuales no son utilizados como reservorios de regulación sino como reservorios de almacenamiento, según un horario que varía entre 2 y 14 horas por día. Por lo que el tiempo de funcionamiento de las fuentes es solo para llenar los reservorios y no según la demanda de agua de la población. Es por ello que en la presente monografía se prevé solucionar parte del problema actual del abastecimiento de agua potable a través de la selección de un nuevo equipo de bombeo y el diseño de una nueva línea de impulsión, para conducir el agua subterránea desde un pozo tubular denominado P-03 hacia el reservorio de Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David sección circular denominada R-2A el cual abastece a la mayor parte de la población del casco principal urbano de la ciudad de chimbote. Además del caudal suministrado por el pozo P-03, también ingresan al reservorio otras líneas de impulsión provenientes de diferentes pozos por medio de un “many-hall” en donde confluyen todos los caudales para formar un caudal total empleado en el último tramo del diseño de la nueva línea de impulsión. Esto se presenta en la Tabla N° 01 de la sección anexos. El Estudio Definitivo contempla dos etapas de expansión para dar cobertura a la demanda futura. § I etapa para una demanda proyectada al año 2005. § II etapa para una demanda proyectada al año 2025. La red de agua potable tiene la capacidad de abastecer al 90% de la población de la ciudad. Sin embargo, la tasa de cobertura calculada por el número de conexiones en los últimos años es alrededor del 71%. Actualmente, con los problemas de conducción de la fuente superficial (canal Carlos Leight), las horas de abastecimiento son reducidas y algunas veces nula, siendo necesario la producción de agua subterránea las 24 horas del día para cubrir la demanda requerida. Por tal motivo tanto el diseño de la nueva línea de impulsión como la selección del nuevo equipo de bombeo deberán garantizar una segura y adecuada producción de agua afrontando las exigencias del abastecimiento de la demanda futura proyectada en las etapas del estudio definitivo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General § Mejorar las condiciones de vida de un sector de la población de la zona de estudio, ampliando la continuidad del abastecimiento de agua potable y en cantidades adecuadas, en función del rendimiento de la fuente. 2.2 Objetivos Específicos § Diseñar la nueva línea de impulsión para dar una adecuada funcionalidad al sistema de abastecimiento de agua potable, reemplazando la línea de impulsión actual debido al mal estado en el que se encuentra. § Selección de una nueva electrobomba en reemplazo de la actual, que asegure la producción de agua para la demanda proyectada en las etapas de expansión con un mínimo costo de mantenimiento y operación, ya que la actual presenta deficiencia y bajo rendimiento por el tiempo de operatividad alcanzada, habiendo completado el 70% de su vida estimada como útil ya terminada. § Determinar las cargas que afectan a la tuberia enterrada para asegurar su integridad estructural. § Diseñar los anclajes para los accesorios de la línea enterrada para mantener su estabilidad en caso de riesgos. § Determinar el costo estimado de la obra para ser ejecutada Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 3. INFORMACIÓN DE LA ZONA DEL PROYECTO 3.1 Ubicación de la Obra La zona del proyecto se ubica entre el cerro El Progreso donde se encuentra el reservorio R-2A, también denominada Huaca Santa Cruz con coordenadas planas 765870.70E y 8997791.08N y la zona del pozo P-03 próxima a la margen derecha del Valle Lacramarca con coordenadas planas 766831.88E y 8997634.80N en el Distrito Chimbote, Provincia del Santa, Departamento de Ancash. Cuadro N° 01. Coordenadas de la zona del proyecto N° COORDENADA NORTE COORDENADA ESTE 1 8997800.00 765883.84 2 8997800.00 766833.82 3 8997606.30 766833.82 4 8997606.30 765883.84 3.2 Topografía y Tipo de Uso El llamado cerro El Progreso, lugar de ubicación del reservorio R-2A se halla en la cota 53.08 m.s.n.m., está cubierto de arena y tiene como todas las elevaciones de esta zona, un manto de roca ígnea, típica del batolito de la costa, no tiene vegetación alguna, está rodeada de asentamientos humanos, originados por decisión política de los consejos provinciales actitud que ha disminuido el área original destinada a ampliaciones futuras del servicio de agua potable. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David La Zona del Pozo P-03 se halla en la cota 15.79 m.s.n.m. y se encuentra ubicado al Nor-Este del casco central de la ciudad muy cerca de la ribera derecha del antiguo cauce del río Lacramarca. La zona esta cubierto de arena suelta rodeando a los AA.HH. 21 de abril y el Carmen que limitan con el pozo. El terreno circundante en donde se encuentra enterrada la línea de impulsión actual está dedicado a vías de uso precario. 3.3 Características Geológicas y Geotécnicas de la zona El recorrido de las tuberías que constituyen la línea de impulsión del pozo P-03 al reservorio R-2A corresponde a tramos bien definidos: § Tramo de 800 m aprox., con inicio en el Pozo P-03, suelo tipo aluvional (arenas limosas semicompactas) y subsuelo consistente de arena suelta. Las gravas se encuentran por debajo de los 10 m. El nivel freático se encuentra a relativa profundidad de 3 m a 4 m. La arena fina suelta que se encuentra a distintas profundidades presentará licuación marginal durante un sismo de moderada magnitud, por lo que el daño a tuberías enterradas será moderado. § Tramo de 200 m aprox. hasta el reservorio R-2A, corresponde a cerros con suelo de arena de mediana a baja compacidad, con significativos niveles y deslizantes. El subsuelo consiste en rocas, gravas densas y depósitos arenosos compactos con nivel freático a profundidades mayores de 4 m. Existe poca posibilidad de subsidencia o asentamiento del terreno, por lo que el colapso de tuberías enterradas bajo carga sísmica es improbable. De acuerdo a los tipos de suelo predominante en la zona de estudio, suelo uniforme de similares características de acuerdo a cada tramo se deduce que la estructura (tendido de tuberías) será cimentada íntegramente en un mismo tipo de suelo que garantiza UN MINIMO ASENTAMIENTO DIFERENCIAL para la profundidad del tendido (1.25 m. a 2.5 m.), sobre todo ante efectos dinámicos, Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David ocurrido por sismos característicos en la zona de estudio. Por otro lado la composición químico del subsuelo arroja porcentaje de sales solubles totales del orden de 950 ppm, el contenido de ion sulfato es de 160 ppm, el porcentaje de ion cloruro es del orden de 640 ppm, y el pH del suelo es 7.71, por lo que se desprende que no habrá agresión química sobre estructuras de concreto y fierro enterradas. 3.4 Estado Hidrogeológico del Acuífero El acuífero está formado por depósitos aluviales no consolidados y limitado por rocas volcánicas e intrusivas con presencia de cantos rodados, gravas, arenas, limos y arcillas. Los depósitos aluviales no consolidados presentan buenas cualidades físico – mecánicas en cuanto a la aptitud para la circulación y almacenamiento de agua. La napa es de tipo libre predominantemente y su nivel estático se encuentra próximo a la superficie del suelo en la cercanía a la costa y tiende a alejarse en la dirección de las zonas altas. Es alimentada por infiltraciones provenientes del río Santa, por las infiltraciones que se producen en las partes altas de la Quebrada Lacramarca y por infiltraciones de los canales sin revestimiento y aguas de riego. La dirección predominante del flujo subterráneo es de Nor-Este a Sur-Oeste y de E a W. La gradiente hidráulica es de 1.2% para la Quebrada de Cascajal y de 0.7% para el valle de Lacramarca, siguiendo la dirección del antiguo lecho del río Lacramarca. Las reservas del acuífero en la actualidad están estimadas en 621.4 MMC, de las cuales son explotables alrededor de 53 MMC considerando una variación anual del nivel freático de 2.5 m a 4 m. Aunque se presento una ligera baja del nivel Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David dinámico en los últimos años que demuestra que el acuífero está ya muy explotado, aun le queda suficiente potencia para cubrir la demanda proyectada. Los ensayos realizados en la determinación de la calidad química del acuífero rebelan que este se encuentra dentro de los parámetros normales considerado en las normas recomendadas por la Organización Mundial de la Salud para el suministro de agua potable la cual se especifica en la siguiente lamina para un pozo de observación cercano al pozo P-03. Aunque el acuífero presenta parámetros favorables para el consumo es necesario siempre un proceso de desinfección el cual se logra inyectándole una solución de cloro en vacío a través de una bomba acoplada a la línea de impulsión, eliminando así los agentes contaminantes que puedan permanecer aún en el agua. En conclusión el acuífero ubicado en el valle de Lacramarca en las condiciones actuales se encuentra en capacidad de cubrir la demanda de agua ha ser extraída del pozo, por lo que es factible su utilización en condiciones normales para el tiempo proyectado en el estudio, sin poner en riesgo su capacidad de recuperación. 3.5 Crecimiento Urbano y Poblacional – Consumo Chimbote es la ciudad más importante del departamento de Ancash. Debido al aumento de la actividad industrial en los últimos años la ciudad ha visto incrementarse su población urbana con un crecimiento expansivo hacia los alrededores de casco central y al Este de la carretera panamericana, aprovechando los terrenos libres de toda actividad agrícola. Esto se demuestra por el último censo realizado en el año 1993 donde se registró una población de 268 979 habitantes comparada con la población estimada en el año 1996 que fue de 271 518 habitantes. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David La proyección poblacional prevista para la Primera Etapa es de 326 645 habitantes y para el horizonte de planeamiento al año 2025, se estima en un total de 462 061 habitantes. El consumo promedio es de 300 lt/hab-día correspondiente a la dotación de agua para una población urbana mayor a los 200 000 habitantes con perdidas cercanas al 25% para la primera etapa disminuyendo a 18% al horizonte de planeamiento. En el cuadro N° 02 siguiente se presenta la evolución de la población total de Chimbote con sus respectivos consumos, desde 1996 hasta el año 2025. Cuadro N° 02. Proyección población y consumo AÑO 1996 POBLACION TOTAL 271 518 CONSUMO (l/s) 946 2000 298 608 1037 2005 326 645 1134 2010 357 708 1242 2015 389 767 1353 2020 425 407 1477 2025 462 061 1604 Fuente: Estudios de Factibilidad Tahal-Ascosesa 3.6 Rendimiento del Pozo Se logra a través de la prueba de bombeo a diversos regímenes escalonados de trabajo para un periodo no menor a 72 horas de operación, de donde se puede obtener la curva de rendimiento que nos permite concluir que el rendimiento del pozo es muy bueno teniendo en cuenta un caudal de 35 l/s y un nivel dinámico de Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 14 m. empleado por el sistema actual como parámetros de trabajo. Esto significa que se puede obtener más caudal si fuera necesario ya que el pozo tiene una profundidad de 40 m. Además en la prueba de bombeo no se ha detectado la presencia de arena en el agua bombeada lo resulta beneficioso para el rendimiento del nuevo equipo de bombeo. Actualmente del pozo P-03 se tiene la siguiente información resumida en el cuadro N° 03. Cuadro N° 03. Información del pozo P-03. POZO AÑO PERFORACIÓN AÑO REHABILITACIÓN DIÁMETRO POZO (mm) PROFUNDIDAD (m) NIVEL ESTÁTICO (m) NIVEL DINÁMICO (m) CAUDAL BOMBEO (l/s) P-03 1979 1996 300 40 6 14 35 COTA POZO (m.s.n.m.) NIVEL BOMBEO (m.s.n.m.) 15.79 1.79 BOMBA EXTRACCIÓN MOTOR Turbina de Eléctrico Eje Vertical (Exterior) MACROMEDICIÓN CLORACIÓN Sí Sí Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 4. PLANTEAMIENTO TEÓRICO Y METODOLOGÍA 4.1 Del Diseño de la Línea de Impulsión 4.1.1 Diámetro de Tubería Un primer paso en la determinación del diseño de la línea de impulsión es la elección del diámetro de la tubería, para esto se utiliza una formula empírica conocida como la formula de Bresse para bombeos discontinuos: D = 0 . 5 8 7 3 ⋅ N 0.25 ⋅ Q b La cual esta basada en los siguientes parámetros: D : Diámetro interior aproximado (m). N : Número de horas de bombeo al día. Qb : Caudal de bombeo obtenido de la demanda horaria por persona, del análisis poblacional y del número de horas de bombeo por día en (m3/s). 4.1.2 Velocidad Media de Flujo Establecido el diámetro de diseño, si este no es comercial se determina la velocidad media del flujo en la tubería escogiendo para esto el diámetro inmediato superior comercial y utilizando la ecuación de continuidad tenemos: V= 4⋅Q b π ⋅ D2 c Donde: V : Velocidad media del agua a través de la tubería (m/s). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Dc : Diámetro interior comercial de la sección transversal de la tubería (m). Qb : Caudal de bombeo igual al caudal de diseño (m3/s). Si la velocidad no se encuentra dentro de los rangos permitidos para líneas de impulsión que son definidos en la sección de criterios y parámetros de diseño, el diámetro se cambia a uno en el cual se cumpla estas exigencias. 4.1.3 Pérdida de Carga en Tuberías Las pérdidas de carga que se presentan en las líneas de Impulsión se dividen básicamente en dos tipos que se definen a continuación. 4.1.3.1 Pérdida de Carga por Fricción Obtenido la velocidad de flujo se procede al calculo de la pérdida de carga por fricción en la línea utilizando para esto la ecuación de Hazen-Williams expresada como sigue: Q b = 0.2785 ⋅ C ⋅ D 2.63 c ⋅ S 0.54  Q b S =   0.2785 ⋅C ⋅ D 2.63  c H f     1.85 = S ⋅ L Donde: Qb : Caudal de bombeo (m3/s). C : Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams. DC : Diámetro interior comercial de la tubería seleccionada (m). S : Pendiente de la línea de energía o gradiente Hidráulico (m/m). Hf : Pérdida de carga por fricción (m) L : Longitud de tubería con diámetro cte. (m). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Estas ecuaciones que nos permiten determinar la velocidad media y la pérdida de carga por fricción nos dan la posibilidad de identificar, para un diámetro determinado con una clase de tubería seleccionada, si estamos dentro de los intervalos establecidos según los criterios y parámetros de diseño estandarizados para flujo en tuberías. Estos criterios están relacionados a la velocidad del flujo y a la capacidad de carga que la tubería puede soportar incluyendo la sobrepresión que resulta de un fenómeno denominado golpe de ariete el cual esta condicionado al tiempo de cierre de las válvulas de control de flujo a la salida de la bomba por corte súbito de la energía. Lo anterior nos sirve como un instrumento de decisión para descartar o confirmar que el diámetro determinado para el caudal de bombeo sea el adecuado según los criterios de diseño para las condiciones de trabajo optimas en la tubería evitando que se originen pérdidas de carga superiores a las que se requerirían para la conducción del flujo. 4.1.3.2 Pérdidas de Carga Local Además de la pérdida de carga por fricción también se presenta en la línea de impulsión pérdidas de carga denominadas locales producto del paso de flujo a través de los accesorios instalados en la línea y/o al cambio de dirección y/o sección en sus tramos. La determinación de las pérdidas locales son evaluadas, sólo en el caso de ser necesarias por la cantidad de accesorios o velocidades altas en la línea. Para esta evaluación se utiliza el teorema de Borde-Belanger. Hl = ∑ k ⋅ V2 2g Donde k depende del accesorio por donde transita el flujo (codos, válvulas, entradas, salidas, reducciones, tes, yes, uniones, etc). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 4.1.4 Potencia de Impulsión Establecidas las pérdidas se procede a calcular la potencia necesaria para impulsar la columna de agua desde el pozo al reservorio. Para esto es necesario conocer ciertos parámetros como: Caudal de bombeo (Qb) .- Es aquel caudal requerido para abastecer al reservorio y que es producido por el pozo con un cierto descenso en el nivel de agua respecto del nivel estático cuando se realiza la extracción del acuífero. A este nivel de descenso se le denomina nivel dinámico y se obtiene de las pruebas de bombeo que se realiza al pozo antes de la puesta en operación. Altura dinámica total (HDT) .- Representado por la diferencia del nivel máximo de las aguas en el sitio de llegada (nivel máximo de descarga al reservorio) y el nivel dinámico del pozo incluido las pérdidas de carga totales (fricción y locales) desarrolladas durante la succión y descarga. También se obtiene por la sumatoria de la altura de impulsión mas altura de succión. Altura de impulsión.- Se obtiene por la diferencia de niveles entre la llegada de las aguas en el reservorio y el eje de la bomba mas las pérdidas de carga (fricción y locales) de dicho tramo. Altura de succión.- Se obtiene por la diferencia de niveles entre el eje de la bomba y el nivel mínimo del agua en la fuente (nivel dinámico del pozo) mas las pérdidas de carga del tramo (fricción y locales). La altura de succión esta condicionada por el valor de la presión barométrica en el lugar de instalación del equipo y de la presión que se origina en la entrada del impulsor el cual debe ser mayor a la presión de evaporación del agua para que no se produzca el fenómeno de cavitación, que causa en los alabes del impulsor impactos que pueden provocar su destrucción en las zonas donde ello ocurre. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Las pérdidas de carga por fricción y locales son fundamentales en la determinación de la altura dinámica total para la obtención de la potencia que se empleará en el equipo de bombeo. 4.1.4.1 Potencia de Consumo La Energía que requiere la bomba para su normal funcionamiento es conocida como Potencia de Consumo (Pc) y es calculada por la expresión: Pc ( HP ) = 100 ⋅ Qb ⋅ HDT 75 ⋅ nb Donde: HDT: Altura dinámica total (m). Qb : Caudal de Bombeo (l/s). ηb : Eficiencia de la bomba (%). 4.1.4.2 Potencia Instalada El motor que se acopla a la bomba para su funcionamiento necesita una energía denominada potencia Instalada (Pi) y es calculada por la expresión: Pi ( HP) = 100⋅ Qb ⋅ HDT 75 ⋅ nc Donde: ηc : Eficiencia del sistema en conjunto bomba-motor (%). η c = η b ⋅η m Eficiencia de la bomba obtenida por la transformación de la energía mecánica de rotación en energía potencial de fluido y la eficiencia del motor obtenida de la transformación de la energía eléctrica en energía mecánica de rotación componen la eficiencia del sistema de conjunto que describe el grado de aprovechamiento Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David energético que tiene un sistema al suministrarle una energía determinada, y como este llega a convertirla en energía útil ganada por el fluido. 4.1.5 Del Análisis de Sensibilidad Económica - Diámetro Económico Al ser el diseño de la línea de impulsión un problema básicamente de costos relativos al diámetro de la tubería, calidad y potencia del sistema de bombeo es necesario el análisis económico de varias alternativas de diseño para resolverlas y escoger la que nos proporcione el menor costo de total. Estos costos totales están compuestos por varios tipos de costos en el sistema: Costo total de tubería instalada (adquisición, transporte, instalación y testeo) que se calcula como: CostoTotal deTuberiaInstalada (US$) = CostoTuberia ( )×Longitudtotaltuberia (m) US$ m Costo total del equipo de bombeo instalado (adquisición, transporte, instalación, mantenimiento, costo energético consumible, y testeo) que se calcula utilizando los coeficientes de costos del equipo (K, a) y su potencia instalada (HP). Costo TotalEquipoInstalado (US $) = K × ( P )a i Costo Anual de Operación (Energía consumida) que se calcula de acuerdo a la potencia instalada y al costo de energía por kW-h/año. Costo Anual Operacion (US $) = ( Horas de Bombeo $ × P ( kW ) × Energia kWUS - hora i Año ) Costo Anual de Mantenimiento (Repuestos, insumos, personal, herramientas, etc). Para la obtención de la mejor alternativa de menor costo es necesario llevar los costos anteriores a sus valores presentes de acuerdo al horizonte de anualidades condicionado por el tiempo de vida útil del equipo de bombeo y tubería. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Los Valores Presentes (V.P.) se resumen como: Valor Presente de Inversiones Totales.- conformado por la suma del costo total de tubería mas el costo total del equipo. Valor Presente de Reposiciones Totales.- conformado por la diferencia del Costo de Inversiones totales en un plazo de anualidades a la tasa de descuento y V.P. de Inversiones totales. Los costos anualizados a una tasa de descuento pueden ser calculados con la siguiente expresión:   i ⋅ (1 + i )N   V . P. Reposiciones Totales (US $) = VPInversiones . . Totales (US $) ⋅    ⋅ N −1 N   (1 + i ) − 1   Donde: i : N : Tasa de descuento equivalente al 12% establecido por el BID Número de anualidades (Tiempo de vida útil del equipo de bombeo). Valor Presente de Explotación Totales.- conformado por el V.P. de la suma de los Costo de operación y mantenimiento anualizados de acuerdo a la tasa de descuento. Esta regido por la siguiente expresión:  i ⋅ (1+ i)N  V . P. ExplotacionTotal (US$) = Costo Anual O y M (US$)⋅  N  (1+ i ) − 1 −1 Finalmente la elección del diámetro se hará en función al menor V.P. Total siendo este el resultado de la sumatoria de todo los V.P. anteriores. 4.2 De la Selección del Equipo de Bombeo 4.2.1 Curvas Característica Red y Bomba - Punto Óptimo de Operación De aquel análisis de costos para varias alternativas con diámetros cercanos al calculado con la formula de Bresse (diámetros comerciales) se determina el Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David diámetro correspondiente al menor costo, es decir diámetro económico con lo cual podremos luego construir la curva característica de la red compuesta por la línea de impulsión y succión, y confrontarla con la curvas características del equipo de bombeo escogido en el desarrollo del análisis de sensibilidad económica para el diámetro económico, y así determinar el punto óptimo de operación del sistema (eficiencia>50%). La curva característica de la red esta compuesta por diferentes alturas HRed que puede alcanzar el agua a diferentes caudales. Esta se rige mediante la ecuación: H Red = H Geo + H Res + H Pérdidas + H Pérdidas Fricción Donde HPérdidas y HPérdidas Fricción Locales Locales representan las pérdidas de carga por fricción y local en la red respectivamente.  Qb S =   0.2785 ⋅ C ⋅ D 2.63  c H Pérdidas Fricción = H f = S ⋅L y H     1.85 Pérdidas Locales = H l = ∑ k ⋅ V2 2g La ecuación de la curva característica de la red puede ser finalmente expresada en función de los caudales (Q) en m3/s: H Red = H K Fricción = Geo + H Res + K F r i c c i ó n ⋅ Q 1 . 8 5 + KL o c a l ⋅ Q 2 L  0 . 2 7 8 5 ⋅C ⋅ D 2.63    1.85 y K Local = 16 ⋅ ∑ k 2gπ2 ⋅ D 4 En donde: C : Coeficiente de Rugosidad de Hazen-Williams para tuberías el cual depende del tipo de tubería a utilizar. L : Longitud de la tubería (m). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David D : k : Diámetro interior de la tubería (m). Coeficiente de pérdida local en accesorios. HGeo : Carga estática o Altura geométrica (m). HRes : Carga o Altura de reserva (m). Las curvas características de la electrobomba son proporcionadas por el fabricante o proveedor de acuerdo al tipo de aplicación que se le dé al equipo. Confrontando estas curvas se obtiene un punto en donde ambas se interceptan, es decir el caudal Q reemplazado en ambas ecuaciones de curvas nos da un único valor de H, a este punto se le denomina punto óptimo de operación. Como la curva característica de la red puede interceptarse con mas de una curva característica de equipos de bombeo similares producto de varias pruebas con diferentes diámetros del impulsor, tendremos un punto óptimo de operación para cada una de estas curvas. El punto óptimo de operación debe de ser aquel que caiga en la zona de rendimiento máximo y donde Q y HDT del punto óptimo sean mayores o iguales al Q y HDT de diseño. Además la Potencia de consumo de la bomba (Pc) seleccionada debe ser menor o igual a la potencia de consumo calculada en el análisis económico. Este punto óptimo de operación determinará el diámetro que debe de tener los impulsores, la altura de succión neta positiva y la potencia optima a las revoluciones del equipo bomba-motor. Con esto ya se tendría una solución de mínimo costo y alto rendimiento operativo que cumplan con todas las condiciones de diseño para asegurara el abastecimiento desde el pozo al reservorio. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 4.2.2 Coeficiente de velocidad especifica El desempeño del equipo de bombeo (bomba-motor), puede ser obtenido mediante un parámetro conocido como el coeficiente de velocidad especifica dado por la siguiente expresión: N s = 3.65 ⋅ N ⋅ Qb H 3 4 Donde: N : Revoluciones del equipo de bombeo. H : Altura dinámica total. Qb: Caudal de bombeo. El coeficiente de velocidad especifica (Ns) debe caer en la zona de buen rendimiento que se muestra en las graficas proporcionada por el fabricante. Si Ns cae a la izquierda de esta zona se debe elegir otro equipo con revoluciones mayores para aumentar su rendimiento, pero si el equipo elegido presenta una velocidad rotacional de 3600 rpm la posibilidad de aumentar ésta redituaría en un aumento considerable de costos, tamaño y peso que talvez no justificaría el aumento en el rendimiento, por tal motivo debe de mantenerse el equipo elegido ya que aunque presenta un rendimiento inferior al esperado cumple con las condiciones de operación exigidas. 4.3 Análisis de Flujo Transitorio - Fenómeno de Golpe de Ariete Es un fenómeno que ocurre cuando se interrumpe súbitamente la energía que propulsa la columna de agua en la línea de impulsión o por el cierre rápido de la válvula de regulación de flujo a la salida de la bomba ocasionando una presión interna a todo lo largo de la tubería, la cual es recibida en la paredes de la tubería y los accesorios como un impacto. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Al cerrar instantáneamente o parar el equipo de bombeo, la compresión del agua y expansión de la tubería comienza en el punto de cierre, transmitiéndose hacia arriba a una velocidad determinada por la expresión: a = 1  1 ρ ⋅   ε + d e ⋅ E    Donde: a : Velocidad de propagación de la onda (m/s). ρ : Densidad del liquido (kg/m3). d : Diámetro interior de la tubería (m). e : Espesor de la tubería (m). ε : Modulo de elasticidad del agua (2.00x109 N/m2). E : Modulo de elasticidad de tracción del material que compone la tubería (N/m2). El tiempo de propagación de la onda (ida y vuelta) es conocido como tiempo crítico y se expresa como: T c = 2 L a Donde: Tc : Tiempo crítico o de propagación de la onda en cierre instantáneo (s). L : Longitud de la tubería por donde transita la onda (m). Si el tiempo de cierre de la válvula es menor al tiempo crítico entonces la presión irá aumentando hasta el cierre completo de la válvula y dicho valor será entonces considerado como el de un tiempo de cierre instantáneo Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David En el diseño de la línea de impulsión se debe considerar la sobrepresión que se genera por efecto del golpe de ariete como medida de seguridad por una posible desconexión del fluido eléctrico que alimenta al motor de la bomba. Por eso es fundamental el estudio de este fenómeno para poder determinar la clase de tubería a utilizar que pueda soportar esta sobrepresión sin mayores inconvenientes, sin la necesidad de instalar accesorios de seguridad como válvulas especiales que contrarresten el impacto del golpe de ariete elevando por consiguiente el costo total de inversión. La sobrepresión por este efecto se calcula para un cierre instantáneo que genera una presión mayor que la originada por un tiempo de cierre gradual, es decir un tiempo mayor al tiempo crítico regulado por la válvula de control y se expresa como: ∆ H a = V ⋅ a g Donde: ∆H : Carga por sobrepresión (m.c.a). a V : Velocidad del flujo en la tubería (m/s). g Constante de aceleración de gravedad (9.81 m/s2). : Entonces con la determinación de la sobrepresión por efecto del golpe de ariete la carga que debería soportar la línea en su punto mas bajo estará dada por la siguiente expresión: P máx = ∆H + ∆H a Donde: P máx : Presión máxima en el punto mas bajo de la tubería (m.c.a). ∆H : Diferencia de nivel entre el punto donde llega el agua (reservorio) y el punto mas bajo de la tubería igual a la carga estática en ese punto (m.c.a). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David ∆H : Carga por sobrepresión por efecto del golpe de ariete (m.c.a). a La tubería entonces debe ser elegida considerando el espesor y el material del que esta compuesta para soportar dicha presión máxima con el diámetro calculado. 4.4 De la Cimentación 4.4.1 Comportamiento de Tuberías Enterradas En el diseño de las tuberías flexibles enterradas es muy importante la carga que soportara la tubería debido al relleno que se coloca sobre la clave del tubo. Esta carga no solo se distribuye al tubo sino que también hacia las paredes verticales de la zanja. La carga de relleno que actúa sobre la tubería se calcula mediante la siguiente expresión: P = γ ⋅ HR + Po Donde: P : Presión debida al peso del suelo a la profundidad HR incluida la Presion por Carga Viva Po.(kg/m2). γ : Peso específico del suelo (kg/m3). HR: Profundidad del relleno sobre la corona del tubo (m). Po : Carga viva por vehículo de eje simple (kg/m2). La carga viva se considera en 957 kg/m2 para un vehículo de eje simple que transita sobre el terreno del tendido de la tubería a la profundidad HR = 2.0 m. Además la carga de relleno produce un esfuerzo de compresión en las paredes del tubo que se obtiene con la expresión: Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 9.81⋅ P ⋅ D σ = c 2 ⋅1000 ⋅ A Donde: σc : Esfuerzo de compresión en la pared del tubo (kN/m2). A : Area de sección de la pared del perfil por unidad de longitud (m2/m). D : Diámetro de exterior de la tubería (m). Este esfuerzo de compresión no debe sobrepasar el σmáx de compresión en la tubería, por lo tanto el factor de seguridad al límite de este esfuerzo en la pared es: σ ηcru = max > 2 σ c 4.4.2 Diseño de Anclajes Básicamente esta referido al diseño de los anclajes para cada cambio de dirección (codos) que se presente en la línea de impulsión y en los accesorios como tees, yees, reducciones, válvulas, etc. Para esto debemos calcular las fuerzas que intervienen predominantemente en dichos componentes siendo la fuerza resultante R en kg debido al empuje por presión de agua (Presión estática mas sobrepresión por golpe de ariete) las más significativa y que para fines prácticos se utiliza en el dimensionamiento del anclaje: R = π ⋅ D 2 ⋅ γ ⋅ H P ⋅ s e n (θ 2 ) 2 H P = 1.5 ⋅ H Donde: D : Area de la sección de la tubería (m). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David γ : Peso especifico del agua (kg/m3). Hp : Carga de prueba hidráulica en el accesorio (m). H : Carga nominal de trabajo en el accesorio (m). Luego con R calculamos el área de la superficie de contacto del bloque de anclaje mediante la siguiente expresión: AB = R σ adm Donde: σadm : Tensión admisible del terreno que tiene contacto con el área de la base del bloque y que puede ser horizontal a la pared de la excavación, o verticalmente al fondo de la excavación según el cambio de dirección (kg/cm2). AB : Area de contacto del bloque con mayor capacidad de distribución del empuje transmitido al sistema anclaje-suelo (cm2). Ya con el área calculada podemos asumir las dimensiones mínimas de la sección de contacto (LxW). La tercera dimensión (N) se obtiene de acuerdo al cambio de dirección horizontal o vertical de la superficie de contacto, ya que esta condicionada al ancho de la zanja y/o al diámetro del tubo. En forma practica se puede determinar las dimensiones del bloque de anclaje vertical como una función del diámetro nominal del tubo (DN). L = W = 1.5 × D N N = 1.2 × D N Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Debiéndose comprobarse posteriormente si se cumple la condición de mayor área efectiva : AB−efectiva = L ×W > AB Por último, el anclaje puede adoptar diversas formas de acuerdo al accesorio y al cambio de dirección, estando muchos de ellos normalizados para obras de abastecimiento de agua potable y alcantarillado. La forma mas común es la de un tronco piramidal que consta de 4 dimensiones características (L, W , T y F). Las 2 primeras (L y W) son establecidas por las formulas descritas para el área de la base del bloque, mientras que las 2 últimas se obtienen en función del diámetro Nominal (DN) y la tercera dimensión (N). T = ( N -0.2× DN ) F = (N - DN ) 2 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 5. PLANTEAMIENTO TÉCNICO 5.1 Estudios Preliminares Antes de realizar el calculo de las dimensiones y parámetros del diseño de la línea de impulsión y de la selección del sistema de bombeo se debe realizar actividades de recolección de información. Una inspección visual de la zona y reconocimiento de las instalaciones con el propósito de determinar que parte de estas están aun en buenas condiciones para seguir operando y cuales necesitan ser reemplazadas por otras que brinden mayor tiempo de operación planteado por la demanda futura de la población y con una garantía de funcionamiento a bajo costo de mantenimiento. La inspección visual también permite determinar si la fuente de energía con que se dispone actualmente para el funcionamiento del equipo de bombeo se encuentra en condiciones de operatividad o requerirá realizar un cambio en el sistema que abarate los costos de inversión, es decir si se cuenta con suministro de energía eléctrica con fácil acceso o si se deberá contar con grupos electrógenos que trabajen con combustibles líquidos. Luego del reconocimiento se procede a realizar los estudios de campo: w Levantamiento topográfico en la zona por donde atravesara nueva línea de impulsión y sus alrededores. w Estudio hidrogeológico de la zona del acuífero en las proximidades del pozo. El estudio topográfico esta orientado a determinar: § Las características del perfil del terreno y la ruta que va a seguir la nueva línea de impulsión. § Los niveles que debe vencer la columna de agua para llegar al reservorio. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David § El punto del terreno en donde la línea soportara la máxima presión de carga considerando el efecto del golpe de ariete. El estudio hidrogeológico nos proporciona: § Las características y capacidades del suelo que va a soportar las presiones incluido el peso de la nueva línea de impulsión sin que corra riesgos de desplazamientos por condiciones de operación o eventos sísmicos. § Las condiciones actuales del pozo (dimensiones). § Las reservas totales y explotables actuales del acuífero. § El rendimiento del pozo. § Los niveles estáticos y dinámicos del pozo. § La Profundidad del pozo. § La calidad del agua que suministra el acuífero. La información necesaria para la selección del equipo de bombeo y del diseño de la línea de impulsión obtenida de los estudios se plasma en el cuadro Nº 04. Cuadro Nº 04. Información básica para el diseño COTA LLEGADA RESERVORIO (m.s.n.m) COTA POZO (m.s.n.m) NIVEL BOMBEO (m.s.n.m) DIÁMETRO POZO (mm) PROFUNDIDAD POZO (m) NIVEL ESTÁTICO (m) NIVEL DINÁMICO (m) CAUDAL BOMBEO (l/s) HORAS BOMBEO 62.12 15.79 1.79 300 40 6 14 35 18 El caudal de bombeo que se presenta en el cuadro Nº 04 es el caudal actual extraído del pozo P-03 y se ha considerado como el caudal de diseño para la línea de impulsión durante las dos etapas de expansión proyectadas en el estudio Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David definitivo, ya que el reservorio R-2A a donde llega este caudal no presentara déficit de almacenamiento a lo largo de las 2 etapas proyectadas como se indica en el cuadro Nº 05. De igual modo se empleara este caudal para la selección del equipo de bombeo considerando un tiempo de vida útil de 10 años. Cuadro N° 05. Déficit de almacenamiento Nota: Los volúmenes de almacenamiento requeridos en cada una de las etapas de expansión se calculan de acuerdo a la demanda máxima diaria de la población para cada zona de distribución por reservorio. 5.2 Parámetros y Criterios de Diseño Antes de la determinación de las características del sistema de suministro, se debe tener en cuenta en el diseño ciertos criterios y parámetros que permitan dar seguridad y condiciones de servicio a un mínimo costo de inversión. Son estos criterios y parámetros los que se explican a continuación. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 5.2.1 De la Línea de Impulsión Para las líneas de impulsión se toma como base una serie de criterios y parámetros, partiendo de las condiciones a las que se encontrará sometida la tubería, como su entorno y el tipo de fluido que conducirá. Partiendo de datos básicos como caudal, longitud y desnivel entre el punto de carga y de descarga, se parte en la elección de: a) Material de la tubería El material de la tubería es escogido por factores económicos, así como de disponibilidad de accesorios, y características de resistencia, ante esfuerzos que se producirán en momento de su operación. § PVC para diámetros hasta 250 mm, clase 10 o clase 15 (Normas ISO 4422). § FFD para diámetros de 300 mm a mayores, clase k-9 (Normas ISO 2531). § Accesorios de FFD k-9 en todos los casos, para presiones de servicio mayores a 10 bars (Normas ISO 2531). Se evaluará el material de tubería a utilizar cuando la corrosividad sea especialmente agresivo, es decir para cuando el contenido de sales solubles, ion sulfatos y ion cloruros del terreno sean superiores a 1000 ppm y el pH del subsuelo estar fuera de los limites comprendidos entre 6 y 8. b) Diámetro de la tubería Los criterios de elección del diámetro se basan en un análisis técnico – económico. b.1) Criterio Técnico Para determinar las pérdidas de carga por fricción se utilizó la formula de Hazen Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Williams, utilizando los coeficientes de rugosidad que se indican posteriormente. La elección de la dimensión del diámetro depende también de la velocidad en el conducto, en donde velocidades muy bajas permiten sedimentación de partículas y velocidades altas producen vibraciones en la tubería, así como pérdidas de carga importantes, lo que repercute en un costo elevado de operación. Las velocidades recomendables son: § Líneas de Conducción de 0.6 m/s a 3 m/s. § Líneas de Impulsión de 0.6 m/s a 2.0 m/s. b.2) Criterio Económico El cálculo económico, está basado en: § Datos de inversión Inicial § Costo de la tubería instalada por metro lineal. § Costo del equipo de bombeo instalado por cada HP o kW. § Datos de inversión por explotación § Costo anual de operación. § Intereses devengados por Inversión. § Valor Presente de Operación en 10 años Para su evaluación se toma como información los siguientes datos: v Caudal de bombeo. v Longitud de la línea de impulsión. v Coeficiente de rugosidad de Hazen Williams. v Niveles de succión y descarga. v Tasa de descuento (12% establecida por el BID) Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David v Coeficientes de la función costos para equipo (a, k) v Precio Equipo Instalado=k x (potencia instalada de la bomba) . v Costos de energía en kW/hora. v Horas de funcionamiento de la bomba. a c) Coeficientes de rugosidad - C Empleado para calculo de la perdida de carga por fricción con la formula de HAZEN – WILLIAM y que depende del tipo de tubería a utilizar. § Tubos de PVC : Nuevo C = 135 Antiguo C = 110 § Tubos de FFD : Nuevo C = 130 Antiguo C = 100 d) Deflexiones en Tuberías de unión flexible § Tuberías de PVC Se considera que no existe deflexión en las uniones de este tipo, la deflexión se considera en el cuerpo del material y nunca mayor de 30 cm en diámetros menores a 110 mm, y en diámetros mayores hasta un máximo de 12 cm por tubo de 6 m de largo. § Tuberías de FFD Se puede realizar desviaciones en las uniones de 5° en diámetros hasta 150 mm, de 4° en diámetros de 200 a 300mm, 3° en diámetros de 350 mm a 600 mm y de 2° de 700 mm a 800 mm. e) Pendientes mínimas El diseño de las líneas de impulsión se ha realizado considerando la operación del sistema, de tal manera que facilite la acumulación de aire en las partes altas Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David pronunciadas, en donde se instalarán elementos que aseguren la evacuación de éste. Se recomienda pendientes mínimas de: § 2 a 3 mm/m en las partes ascendentes. § 4 a 6 mm/m en las partes descendentes. Estando sujeto esto a la configuración de la topografía. f) Válvulas de Aire – Ventosas (evacuación y admisión de aire) Las condiciones de funcionamiento, la cantidad y el emplazamiento de estos hacen difícil el dimensionamiento, por lo que se elegirá de manera clásica la ubicación y dimensionamiento de estas válvulas: Ubicación: § En todos los puntos altos. § Cambio de pendiente ascendente a descendente. § En puntos donde la tubería sale sobre el suelo (Ejm.: Casetas, cámaras, etc) Dimensionamiento de acuerdo al diámetro del conducto: v DN < 250 mm - Ventosas de DN 60 mm. v DN 300 mm a 600 mm - Ventosas de DN 80 mm. v DN 700 mm a 900 mm - Ventosas de DN 150 mm. El caso de desniveles importantes se realizará un cálculo en forma particular. g)Válvulas de Purga Las válvulas de purga se ubicarán en los puntos bajos de la tubería. La elección se realizará teniendo en cuenta la velocidad de drenaje, recomendándose: v DN 100 mm a 400 mm - Válvulas de DN 100 mm. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David v DN 400 mm a 600 mm - Válvulas de DN 150 mm. v DN 700 mm a 1000 mm - Válvulas de DN 200 mm. Además la cruceta de cierre debe ser colocada como mínimo a 60 cm bajo la superficie del terreno. h) Válvulas de Seccionamiento Las válvulas de seccionamiento serán ubicadas teniendo en cuenta la operatividad del sistema. § Válvulas Compuerta hasta tuberías de 250 mm. § Válvulas Mariposa desde tuberías de 300 mm. h) Profundidades de excavación y altura de relleno Se considera profundidades de excavación en el rango de 1.35 m a 2.5 m y una altura de relleno mínima de 1.0 m encima de la clave del tubo. 5.2.2 Del sistema de bombeo a) Planeamiento de las estaciones de bombeo La ubicación de la estación de bombeo obedece a criterios de mayor ahorro de energía, a fin de que el costo de operación, así como el tamaño de los equipos de bombeo sean de la menor dimensión posible para que cumplan en forma eficiente con las demandas del sistema en los momentos de máxima demanda al final del horizonte de diseño. Para el diseño de la estación de bombeo se han considerado los siguientes aspectos: § El equipo de bombeo (conjunto motor bomba). § El calculo de la velocidad especifica. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David b) Selección del conjunto motor-bomba b.1) Número de Unidades, el número de unidades dependerá fundamentalmente del gasto de bombeo y de sus variaciones. Cuando se tiene un gasto constante a lo largo del período de diseño, es preferible instalar un solo equipo de bombeo. b.2) Selección equipo de bombeo, se toma fundamentalmente el caudal de bombeo al fin del período de vida útil del equipo y la altura dinámica total. Para la succión se ha verificado si se presenta altura positiva en la succión o negativa, referido a la altura sobre el nivel del mar. b.3) Tipo de Bomba, los equipos que se han seleccionado son aquellos que representan la máxima eficiencia, se ha considerado la velocidad específica, así como el NPSH requerido, tensión de vapor, peso específico, las condiciones del lugar donde se instalará. b.4) Potencia del motor, la potencia del motor debe ser mayor a la potencia requerida por la bomba en un 10% a 15%, lo que permitirá absorber las pérdidas por disipación de calor. b.5) Niveles del fluido, el nivel mínimo del líquido deberá ser adecuado para satisfacer el diseño particular de la bomba, se emplea en todos los casos las recomendaciones del fabricante del equipo de bombeo. c) Velocidades en las tuberías de succión y bombeo Líneas de bombeo, se ha detallado los parámetros de las líneas de bombeo en el ítem correspondiente a líneas de impulsión. Líneas de succión, se recomienda que las velocidades de flujo sean menores a 2,5 m/s y la velocidad de rotación del impulsor no debe ser mayor a 3600 rpm. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 5.2.3 Del Estudio de Flujo en Régimen Transitorio En el estudio del flujo en regimen transitorio como el que se presenta debido al fenómeno denominado golpe de ariete es práctica común utilizar celeridades de 1000 a 1200 m/s para tuberías de FFD y 500 m/s para tuberías de PVC. Aunque se puede utilizar estos valores de celeridades en forma rápida para determinar la sobrepresión es recomendable realizar el calculo de la celeridad de forma mas precisa con datos propios a cada tubería. Para controlar efectos de subpresión es suficiente la utilización de válvulas de aire (admisión de aire), siendo innecesaria la utilización de otro dispositivo de protección. 5.2.4 De la Cimentación a) Profundidad mínima El bloque de anclaje para el cambio de dirección en tuberías enterradas debe de ser colocado por lo menos a 60 cm bajo la superficie del terreno. b) Anclajes para accesorios y tuberías A fin de contrarrestar el empuje que pueda presentarse debido a la presión interna de la tubería deberá diseñarse anclajes de concreto en: § Cambios de dirección. § Cambios de diámetro. § Válvulas. § Terminales de línea taponadas. § Curvas verticales. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Las dimensiones y forma de los anclajes se determinarán teniendo en cuenta la presión de la línea, el diámetro del tubo, clase del terreno y tipo de accesorio. El área o superficie de concreto del anclaje deberá dimensionarse de modo que el esfuerzo o carga unitaria que se trasmite al terreno, no supere la carga de resistencia admisible dada por cada terreno. La fuerza centrífuga por la velocidad del agua no se considera en el calculo de las dimensiones del bloque de anclaje por ser pequeña en comparación con las fuerzas de empuje por presión del agua. La presión de diseño para el dimensionamiento del anclaje es 1.5 veces la presión nominal de operación en el punto de análisis. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 6. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUMINISTRO 6.1 Memoria de Calculo de la Línea de Impulsión 6.1.1 Calculo del Diámetro y Pérdidas de Carga Una vez conocidos los criterios y parámetros se procede al calculo del diseño propiamente dicho de la línea de impulsión. La nueva línea se ha dividido en seis tramos desde el pozo P-03 hasta el reservorio R-2A para facilitar el proceso de calculo de las pérdidas locales y de fricción que permiten determinar la altura dinámica total del sistema. El tramo de estudio para el desarrollo del calculo esta referido al tramo 4, el cual es el tramo de la línea de impulsión ha ser reemplazada. Los valores obtenidos del calculo para este tramo y los otros tramos se presentan en la tabla N° 01 resumidas en el capitulo resultados. Empleando la formula de Bresse para bombeo discontinuo calculamos el diámetro que tendrá la nueva tubería de PVC (tramo 4). Utilizando los parámetros obtenidos de los estudios preliminares: Caudal de bombeo (Qb) : 35 l/s N° de horas de bombeo (N) : 18 3 0.25 D = 0.5873 ⋅ (18 horas ⋅ 0.035 ms dia ) D = 0.226 m En este caso el valor obtenido corresponde al diámetro interior de una tubería comercial de PVC de diámetro nominal DN 250 mm (10”). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David La velocidad del flujo se obtiene aplicando la ecuación de continuidad: 3 V= 4 ⋅ (0.035 ms ) π ⋅ (0.226 m ) 2 V = 0.87 ms Esta velocidad es mayor a 0.6 m/s y menor a 2 m/s, es decir se encuentra dentro del rango de velocidades permisibles según criterios de diseño. La pérdida de carga por fricción se calcula empleando la formula de HazenWilliams descrita en el planteamiento teórico, siendo aplicada al tramo 4 de estudio, con los siguientes datos: Longitud del tramo (L): 976.32 m. Coeficiente de rugosidad C para tubería nueva de PVC : 135 1.85 3   0.035 ms  H = f  0.2785 ⋅135 ⋅ (0.226 m) 2.63    H f ⋅ 976.32 m = 3.35 m Las pérdidas locales se determinan utilizando el teorema de Borde-Belanger teniendo en cuenta los accesorios y el cambio de dirección de los tramos de tubería durante su instalación. Para el tramo 4 (tubería de PVC DN 250 mm) se ha definido según el perfil de la línea, el uso de los siguientes accesorios con sus respectivos valores del coeficiente de pérdidas locales k detallados en el cuadro N° 06 obtenidos de diversos manuales y textos especializados en hidráulica. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Cuadro N° 06. Valores del coeficiente de pérdida local para accesorios. Accesorios Cantidad k Total Codo 45° Codo 11.25° 2 5 0.40 0.10 0.80 0.50 Codo 22.5° Tee (Válvula de purga) 1 1 0.20 0.10 0.20 0.10 Sumatoria de k 1.60 Velocidad en el Tramo (m/s) 0.87 Entonces reemplazando los datos en la expresión de pérdida local resulta: ( 0.87 ms ) 2 H = 1.60 ⋅ l 2 9.81 m2 s ( ) H = 0.06 m l Relacionando el diámetro con la longitud de la tubería del tramo en estudio. ψ = 976.32 m 0.226 m Obtendremos: ψ = 4320 Con lo que se concluye que la pérdida por accesorios y cambio de dirección en el tramo de la tubería de PVC es despreciable y no debe ser tomada en cuenta en el proceso de calculo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Con el fin de realizar un diseño mas conservador y teniendo la información a disposición se ha optado por considerar esta pérdida local para el tramo en cuestión, aún cuando puede ser considerada despreciable. Las pérdidas locales significativas se encuentran en los tramos de tubería FFD en la estación de bombeo y en el reservorio-Many Hall por ser en estas donde se encuentran el mayor numero de accesorios. Los valores de estas pérdidas locales se presentan en la tabla N° 02 del capitulo resultados. 6.1.2 Calculo de la Sobrepresión por Cierre Instantáneo Empleando las ecuaciones del método de Allievi para tubería de tipo PVC DN250 PN 10 (Clase 10) se tiene los siguientes parámetros: Resistencia Máxima a la Presión de Agua : 100 m.c.a. Espesor de tubería (e) : 0.012 m. Modulo de elasticidad del material (E) : 2.75x109 N/m2 Modulo de elasticidad del agua (K) : 2.0x109 N/m2 Diámetro interior (d) : 0.226 m Densidad agua (ρ) : 1000 kg/m3 Constante de gravedad (g) : 9.81 m/s Longitud de tubería (L) : 976.32 m Velocidad del agua en la tubería (V) : 0.87 m/s Diferencia de niveles entre el punto mas alto de llegada del agua al reservorio y el punto mas bajo del eje de tubería ( ∆H ) : 49.55m Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Calculamos primero la velocidad de propagación de la onda: 1 a= 1000 kg m3  1 ⋅  2.0 × 109  N m2 + 0.226 m ( 0.012 m ) ( 2.75 ×109 mN2 )     a = 368.89 m s El tiempo de propagación de la onda igual al tiempo de cierre instantáneo se calcula como: Τ c 2 (9 7 6 . 3 2 m 3 6 8 . 8 9 ms = Τ c = ) 5.3 s Obtenidos estos datos podremos calcular la carga por sobrepresión en m.c.a: ∆H a = ( 0.87 ms ) ⋅ (368.89 ms ) 9.81 m2 s ∆H a = 32.72 m Entonces la presión máxima en el punto mas bajo del eje de la tubería será: = 49.55 m + 32.72 m P máx P máx = 8 2 . 2 7 m .c .a Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Con lo que podremos concluir que la clase escogida para la tubería de PVC (clase 10) para las condiciones de trabajo es la correcta; coincidiendo con las especificaciones técnicas y parámetros de diseño planteados en el estudio ya que la resistencia máxima de presión de agua no superará los 100 m.c.a. como se observa en los resultados de sobrepresión por efecto del golpe de ariete. Esta tubería soportara sin problemas la sobrepresión por efecto del golpe de ariete sin la necesidad de instalar accesorios de seguridad complementarios o válvulas contrapresión elevando el costo total de inversión. Debido a que las uniones en los cambios de dirección son de FFD las presiones que pueden soportar son mayores a las de PVC por tal motivo, estas soportaran también la sobrepresión sin problemas. Luego de calcular estos parámetros correspondientes a la línea de impulsión es necesario determinar la potencia necesaria que requiere el equipo de bombeo para vencer la altura dinámica total y entregar el agua al reservorio de forma efectiva. 6.1.3 Calculo de la potencia 6.1.3.1 Potencia de consumo Energía entregada por la bomba al agua considerando que: Altura dinámica total (HDT) : 68.00 m. Caudal de Bombeo ( Qb): 35 l/s. Eficiencia de la bomba (ηb): 78% Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Pc = 100 ⋅ (35 ls) ⋅ (68.00 m ) 75 ⋅ (78) Pc = 40.7 H.P. 6.1.3.2 Potencia instalada Energía entregada al motor considerando que: Eficiencia del sistema en conjunto bomba-motor (ηc): Donde: ηm eficiencia del motor : 83% ηc = 78% × 83% ηc = 65% Pc = 1 0 0 ⋅ (35 ls ) ( 6 8 . 0 0 m ) 75 ⋅ ( 6 5 ) Pc = 4 8 . 8 H . P . Calculado ya el diámetro, la clase, el tipo de tubería y la potencia del equipo de bombeo de acuerdo a los criterios y parámetros del diseño, debemos determinar los costos de cada uno de los componentes del sistema descritos en la metodología para obtener el Valor Presente de los costos totales. 6.1.4 Calculo de Costos totales y Valores Presentes Para el tramo 4 de PVC DN 250 mm procedemos a calcular los costos totales y sus respectivos Valores Presentes. - Costo total tubería instalada (adquisición, transporte, instalación y testeo). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David ( ) CostoTotalTuberia (US $) = 52.23 USm$ ⋅ (976.32 m) CostoTotalTuberia (US$) = 50,994 - Costo total equipo de bombeo (adquisición, transporte, instalación, y testeo). Costo TotalEquipo (US $) = 1211.2 ⋅ (48.8 HP)0.7183 Costo TotalEquipo (US$) = 19,777 - Costo Anual de Operación (Energía consumida). ( US $ Costo Anual Operacion (US $) = 6570 ⋅ (35.9 kW ) ⋅ 0.2 kW −h ) Costo Anual Operacion (US $) = 47,179 - Costo Anual de Mantenimiento (Repuestos, insumos, personal, herramientas, etc). Costo Anual Mantenimiento (U S $ ) = 1,000 - Valor Presente de Inversiones Totales. V . P. Inversiones Totales (US $) = 50,994 + 19,777 V .P. Inversiones Totales (US $) = 70,771 - Valor Presente de Reposiciones Totales.  0.12 ⋅ (1 + 0.12)10      V.P. Reposición Total (US$) = 70,771 ⋅ ⋅10 − 1  (1 + 0.12)10 −1      V.P. Reposición Total (US$) = 54,483 - Valor Presente de Explotación Totales. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David  0.12 ⋅ (1 + 0.12)10  V.P. Explotacion Totales (US$) = (1,000 + 47,179) ⋅   10  (1 + 0.12) −1  −1 V.P. Explotacion Totales (US$) = 272,223 - Valor Presente Costos Totales V.P. Costos Totales (US$) = 70,771 + 54,483 + 272,223 V.P. Costos Totales (US$) = 397,476 Luego en la decisión de si éste diámetro es el correcto o no económicamente debemos calcular los costos totales para nuevas líneas calculadas con dos diámetros comerciales anteriores y dos posteriores al primer diámetro comercial determinado con la formula de Bresse. A este procedimiento se le conoce como análisis de sensibilidad económica y nos permite identificar el diámetro a utilizar de acuerdo al menor costo total presente para la selección del nuevo equipo de bombeo. Los valores de estos cálculos se resumen en la tabla N° 03 correspondiente al capitulo resultados. Se incluye además los valores de las pérdidas de carga por fricción y locales para los distintos diámetros comerciales alternativos. 6.2 Memoria de Calculo del Sistema de Bombeo Obtenido el valor del diámetro económico procedemos a calcular la curva característica de la red compuesta por la tubería de impulsión, es decir elaborar la curva de altura gasto de la red para confrontarla con las curvas características del equipo de bombeo escogido en el desarrollo del diámetro económico y determinar el punto de operación óptimo (eficiencia bomba>50%). Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 6.2.1 Calculo de la Curva Característica de la red A cada punto de la curva le corresponde un caudal y una altura dinámica total que se calcula como se describe en el planteamiento teórico. Los caudales dados para construir la curva van desde 5 l/s a 40 l/s. Para determinar la HDT se debe calcular las pérdidas de carga tanto por fricción como locales utilizando la formula de Hazen-Williams y el teorema de BordeBelanger respectivamente. Primer Punto de la curva característica de la red Caudal inicial (Q) : 5 l/s Pérdidas de carga por fricción Hf = Hf +Hf Tramo 1 H f = Tramo 1 H f = Tramo 2 +Hf +Hf Tramo 3 19.89 m Tramo 4 +Hf Tramo 5 1.85  0 . 2 7 8 5 ⋅1 3 0 ⋅ ( 0 . 1 5 0 m ) 2 . 6 3    +Hf Tramo 6 ⋅ ( 0 . 0 0 5 ms3 )1 . 8 5 0.015 m Tramo 1 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David H f = Tramo 2 H f 14.09 m 0.2785  ⋅1 3 0 ⋅ ( 0 . 1 5 0 m ) 2 . 6 3 1 . 8 5 3 ⋅ ( 0 . 0 0 5 ms )1 . 8 5  = 0.010 m Tramo 2 H f = Tramo 3 H f = 3.24 m ⋅ ( 0 . 0 0 5 ms3 )1 . 8 5 976.32 m ⋅ ( 0 . 0 0 5 ms3 )1 . 8 5 1.85  0 . 2 7 8 5 ⋅1 3 0 ⋅ ( 0 . 2 5 0 m ) 2 . 6 3    0.0002 m Tramo 3 H f = Tramo 4 H f 1.85  0 . 2 7 8 5 ⋅1 3 5 ⋅ ( 0 . 2 2 6 m ) 2 . 6 3   =  0.091 m Tramo 4 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David H 8.50 m = f Tramo 5  0 . 2 7 8 5 ⋅ 130 ⋅ ( 0 . 2 5 0 m ) 2.63    1.85 3 ⋅ ( 0 . 0 0 5 m )1.85 s = 0.001 m H f Tramo 5 Hf = Tramo 6 Hf 26.22 m  0.2785 ⋅ 130 ⋅ (0.600 m ) 2.63 1.85 3 3 ⋅ (0.359 ms + 0.005 ms )1.85  = 0.063 m Tramo 6 H f = 0.18 m Pérdidas de carga locales por accesorios y válvulas Hl = Hl T r a m o 1− 2 + Hl Tramo 3 + Hl Tramo 4 + Hl Tramo 5 + Hl Tramo 6 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David H = 10.45 l 1.60 3 16 ⋅ (0.005 ms ) 2 3 16 ⋅ (0.005 ms ) 2 3 16 ⋅ (0.005 ms ) 2 1 6 ⋅ ( 0 . 0 0 5 ms ) 2 + 0.80 + 2 π 2 (9.81 m2 )(0.150 m ) 4 2 π 2 (9.81 m2 )(0.250 m ) 4 s s 3 + 5.10 + 2 π 2 (9.81 m2 )(0.226 m ) 4 2 π 2 (9.81 m2 )(0.250 m ) 4 s s 3 3 16 ⋅ (0. 359 ms + 0.005 ms ) 2 5.05 2 π 2 (9.81 m2 )(0.600 m ) 4 s H l = 0.47 m Reemplazando en la ecuación correspondiente a la HDT: HDT = H Geo +H Res +H f + H = 60.33 m + 0.50 m + 0.18 m + 0.47 m l HDT = 61.48 m De igual forma se calcula para los siguientes puntos con los sucesivos caudales procediendo luego a graficarlos en Excel. Los valores de estos cálculos se presentan en la tabla N° 04 del capitulo resultados. 6.2.2 Cálculo de la Curva Característica de la Bomba De acuerdo a criterios de selección se ha visto conveniente el uso de un tipo de bomba con motor sumergible (electrobomba sumergible), de extensa aplicación en Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David la extracción de agua subterránea a gran profundidad. Las electrobombas sumergibles se han vuelto la alternativa mas aceptable en vista de las limitaciones que presentan otro tipo de bombas como las bombas centrifugas verticales cuya capacidad de succión esta limitada en la practica a un máximo de 7 m de profundidad por debajo del nivel del terreno. En vista de ello se busca modelos de electrobombas sumergibles cuyo campo de utilización se adapten a las condiciones de diseño. Es así como se obtiene la electrobomba con las siguientes características: Bomba Tipo : Sumergible Marca : CAPRARI Modelo : S9S50/4C DN : 125mm Número de etapas : Cuatro (4und) Marca : CAPRARI Modelo : MHS840 Voltaje : 440 V (Trifásica) Frecuencia : 60 Hz Potencia : 40 HP (30 kW) Velocidad : 3600RPM Factor de potencia : 83% Temperatura Max : 40 °C Motor N° polos: 2 (Dos) Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Número de unidades: Uno (1 und) Los datos de caudal y altura de bombeo que desarrolla esta electrobomba son extraídos de la curva proporcionada por el fabricante o proveedor que se detalla en la lamina N° 01 de la sección anexos y presentados en el siguiente cuadro N° 07. Cuadro N° 07. Altura-Gasto de la electrobomba sumergible seleccionada. Qbomba (lt/s) 18 19 20 21 22 23 24 26 27 HDT (m) 108 106.5 105 104 101.5 100 97.5 94 92 Qbomba (lt/s) HDT (m) 28 29 30 32 34 38 40 42 89 86 82.5 77 72 59 52.5 44 También estos datos se presentan en la tabla N° 05 del capitulo resultados. Estos datos forman la curva característica de la electrobomba y deben ser ploteados en la misma grafica de la curva característica de la red para poder encontrar el punto óptimo de operación del equipo. Para nuestro caso con la electrobomba seleccionada el punto óptimo tendrá los siguientes parámetros: § Caudal Óptimo (Qóptimo) : 35.30 lt/s § Altura Dinámica Total Óptimo (HDTóptimo) : 68.12 m § Altura Positiva de Succión Neta requerido (NPSH) : 6.6 m § Eficiencia de la Bomba (ηbomba) : 78% Las curvas características de la red y de la bomba se muestran en la grafico N° 01 donde se observa el punto óptimo de operación. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Además en la Lamina N° 01 del capitulo resultados se presenta un resumen de las características del equipo de bombeo seleccionado y los parámetros de funcionamiento óptimo. 6.2.3 Calculo del Coeficiente de Velocidad Especifica Para asegurar que la elección de la bomba es la correcta calculamos su coeficiente de velocidad especifica. Se utiliza la altura de impulsión de un solo rotor. HDT = c / rotor Entonces: N = 68.12 m = 17.03 m 4 3.65 ⋅ 3600 rpm ⋅ s (17.03 m ) 3 0.0353 ms 3 4 N = 294.5 rpm s Utilizando la grafica de la zona de buen Rendimiento de la bomba establecemos los limites para la altura de cada rotor: Limite mínimo : Ns1 = 400 rpm Limite máximo : Ns2 = 600 rpm El grafico de la zona de buen Rendimiento de la bomba por cada rotor se presenta en la Lamina N° 03 de la sección anexos. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 6.3 Memoria de Calculo de la Cimentación 6.3.1 Comportamiento de Tuberías Enterradas Tomando el punto mas bajo de la línea de impulsión donde el suelo es de tipo SM (arena limosa), se tendrá la mayor carga de relleno. Utilizando los siguientes datos: Peso especifico del suelo (γ) : 1420 kg/m3 Profundidad del relleno sobre la corona del tubo (HR) : 2.0 m. Carga viva para vehículos de eje simple (Po) : 957 kg/m2 Reemplazando en la expresión de la carga de total: kg kg P = (1420 3 ) ⋅ (2.0 m) + 957 2 m m P = 3797 kg m2 El esfuerzo de compresión en las paredes del tubo será: kg σc = (3797 2 ) ⋅ (9.81 m2 ) ⋅ (0.250 m) s m 2 2 ⋅1000 ⋅ (0.012 mm ) σ c = 388.04 kN2 m Este esfuerzo de compresión obtenido no debe sobrepasar en este caso el σmáx de compresión para tubería de PVC. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Por lo tanto, el factor de seguridad al límite de este esfuerzo en la pared es calculado mediante la expresión: kN 981.00 2 m ηcru = kN 388.04 2 m ηcru = 2.53 > 2 Siendo σmáx = σc = 10 kg/cm2 (981 kN/m2) la resistencia máxima de compresión que puede soportar el tubo de PVC PN 10 antes del fallo de ruptura. 6.3.2 Diseño de Anclajes Tomando la línea de la tubería de PVC, el diseño del anclaje se desarrolla para un nudo de cambio horizontal y uno de cambio vertical. Cambio de dirección Horizontal(Nudo 1 – Codo 45°) Utilizando los siguientes datos para ser empleados en el calculo del empuje por presión de agua: Peso especifico del agua (γ) : 1000 kg/m3 Diámetro interior de tubo (D) : 0.250 m Carga nominal en el cambio de dirección (Hp) : 66.71 m Angulo de cambio de dirección horizontal (α ) : 45° Reemplazando en la formula de la resultante: Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David R= π ⋅ (0.250 m)2 ⋅ (1000 kg ) ⋅ (1.5) ⋅ (66.71 m3 ° m) ⋅ sen  45   2  2 R = 3759.43 kg De acuerdo a la información de suelos esfuerzo vertical admisible para el tramo de 800 m. donde se encuentra el nudo 1 es de 3.09 kg/cm2 a la profundidad de 1.5 metros. Como el anclaje se apoya en la pared de la zanja se debe de calcular el área con el esfuerzo horizontal admisible correspondiente a la mitad del esfuerzo vertical admisible e igual a 1.55 kg/cm2. Reemplazando este dato en la formula del área de contacto del bloque: AB = 3759.43 1.55 kg kg cm 2 A B = 2 4 3 3 . 2 9 cm 2 Finalmente las dimensiones de la superficie de contacto del anclaje tendrán que ser aquellas que me den un área mayor a la calculada. Para este caso designamos los siguientes valores: L = 55 cm y W = 4 5 cm A B − e f e c t i v a = 2 4 7 5 c m 2 > AB La tercera dimensión se obtiene considerando el ancho de la zanja que según las especificaciones técnicas de excavación se obtiene por la suma del diámetro Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David nominal del tubo mas 0.50 m. Entonces podremos asumir para el tubo de DN 250 mm: N = 40 cm Como la forma del bloque escogido para la cimentación es del tipo tronco piramidal, las dimensiones de la base son las obtenidas arriba (L y W), mientras que las otras dos dimensiones del área que se encuentra en contacto con el tubo serán determinadas en función del diámetro nominal y la tercera dimensión N. T = ( 4 5 − 0 . 2 × 2 5 ) cm T = 35 cm F = (40 − , 25 ) cm 2 F = 2 7 . 5 0 cm , Cambio de dirección Vertical (Nudo 4 – Codo 11.25°) De la misma manera que el procedimiento anterior solamente se necesita conocer: Carga nominal en el cambio de dirección (Hp) : 63.78 m Angulo de cambio de dirección vertical (θ) : 11.25° Reemplazando en la formula de la resultante: R= π ⋅ (0.250 m ) 2 ⋅ (1000 kg ) ⋅ (1.5) ⋅ (63.78 m3 ° m ) ⋅ sen  11.25   2  2 R = 920.61 kg Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David De acuerdo a la información de suelos la esfuerzo vertical admisible para el tramo de 200 m donde se encuentra el nudo 4 es de 2.72 kg/cm2 a la profundidad de 2.20 metros. Como el anclaje se apoya en el fondo de la zanja se debe de calcular el área de la superficie de contacto empleando el esfuerzo vertical admisible . Reemplazando este dato en la formula del área del bloque: AB = 920.61 2.72 kg kg 2 cm AB = 3 3 8 . 4 6 c m 2 Entonces las dimensiones que cumplen con la condición del área mayor a Ab serán: L = 40 cm y W = 3 5 cm A B − efectiva = 1 4 0 0 cm 2 > A B El área efectiva de la superficie de contacto es alta ya que cada una de las dos dimensiones deben ser mayores al diámetro nominal del tubo. Para la tercera dimensión usaremos la forma practica para anclajes de cambio de dirección vertical. N = 1.2 × 2 5 c m = 3 0 c m Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David De igual forma que en el calculo para el anclaje horizontal, las dimensiones de la base del bloque de tronco piramidal son las obtenidas arriba (L y W), mientras que las otras dos dimensiones del área que se encuentra en contacto con el tubo serán determinadas en función de la tercera dimensión N y el diámetro nominal. T = (30 − 0.2 × 25) c m T = 25 cm , F = (30 − , 25 ) cm 2 F = 17 . 5 0 c m Las dimensiones de los bloques de tronco piramidal de anclaje para los otros nudos se detallan en la tabla N° 06 del capitulo resultados. El material del que esta hecho el bloque de anclaje es de concreto cuya resistencia a la compresión es f’c=140 kg/cm2, por consiguiente el empuje no provocará desplazamiento ni compresión del material y el esfuerzo será transmitido al suelo que soportara sin problemas la tensión resultante. El anclaje estará colocado de tal forma que la fuerza de empuje resultante R incida de forma perpendicular con la base de éste, debiendo además pasar por el centro de la superficie de contacto con el suelo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 7. RESULTADOS De acuerdo con la metodología y el planteamiento técnico desarrollada anteriormente para realizar los cálculos de las diversas etapas del diseño basándonos en los parámetros y criterios descritos, se presentan las tablas de resultados para cada fase del proceso que componen la memoria de calculo. • Tabla N° 01 : Pérdidas de Carga y Altura Dinámica Total – DN 250 mm. • Tabla N° 02 : Pérdidas de Carga Local por Accesorios – DN 250 mm. • Tabla N° 03 : Elección del diámetro económico – Pérdidas de Carga para Diámetros Alternativos. • Tabla N° 04 : Construcción de la Curva Característica de la Red. • Tabla N° 05 : Valores de Altura-Gasto de la Electrobomba Seleccionada. • Gráfico N° 01: Curvas Características de la Red y Bomba - Punto Optimo de Operación. • Lamina N° 01: Parámetros del Equipo de Bombeo Seleccionado – Q y H Optimo. • Tabla N° 06 : Dimensiones de Anclajes en la Línea de Impulsión Proyectada – Tubería PVC Enterrada. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM D ise ñ o de u n a n u e va lín e a de im pu lsión y se le cción de l e qu ipo de bom be o pa r a la e x t r a cción de l a gu a su bt e r r á n e a pla n e s de e x pa n sión de m ín im o cost o de a gu a pot a ble y a lca n t a r illa do EPS Ch im bot e . Choy Bej ar , Víct or Dav id Tabla N° 01. Pérdidas de Carga y Altura Dinámica Total - DN 250 mm Localidad : Chimbote Sistema : Línea de Impulsión desde Pozo P-03 hacia el Reservorio R-2A Descripción Bomba-Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3 Tramo 4 Tramo 5 Tramo 6 - Reservorio Total perdida de carga Material Clase FFD k-9 FFD k-9 FFD k-9 PVC PN 10 FFD k-9 FFD k-9 Caudal m3/s 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.394 Velocidad m/s 1.98 1.98 0.71 0.87 0.71 1.39 D Rugosidad m C 0.150 130 0.150 130 0.250 130 0.226 135 0.250 130 0.600 130 L m 19.75 14.09 3.24 976.32 8.50 26.22 1048.12 S Perd. Local Perd. Fric. Cota m/m m.c.a. m.c.a. Piezometrica 0.0270 0.53 69.79 0.0270 2.09 0.38 69.25 0.0022 0.02 0.01 66.78 0.0034 0.06 3.35 66.75 0.0022 0.13 0.02 63.34 0.0028 0.50 0.07 63.19 2.80 4.36 62.62 Estación de Bombeo Tramo 1 : Longitud de tubería FFD desde la bomba a codo de salida. Tramo 2 : Longitud de tubería FFD desde codo de salida hacia cambio de diámetro. Tramo 3 : Longitud de tubería FFD desde ampliación de tubería FFD a unión con Tubería PVC. Línea de Impulsión Tramo 4 : Longitud de tubería PVC desde unión FFD-PVC a unión PVC-FFD. Reservorio - Many Hall Tramo 5 : Longitud de tubería FFD desde unión PVC-FFD hacia ampliación de many hall FFD. Tramo 6 : Longitud de tubería FFD desde ampliación de many hall hasta la descarga al Reservorio. Altura Dinámica Total (HDT) Nivel Dinámico (a) Nivel de Descarga (b) Altura Geométrica = b-a Altura de Reserva Pérdida de Carga Total por Fricción Pérdida Local Estación de Bombeo Pérdida Local Línea de Impulsión Pérdida Local Reservorio - Many Hall Altura Dinámica Total 1.79 62.12 60.33 0.50 4.36 2.11 0.06 0.63 68.00 m.s.n.m m.s.n.m m m m m m m m Elabor ación y diseñ o en f or m at o PDF, por la Of icin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bibliot eca Cen t r al UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la extracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor Da vid Tabla N° 02. Pérdidas de Carga Local por Accesorios - DN 250 mm Tramo 1 y Tramo 2 (FFD DN 150 mm) - Estación de Bombeo Accesorios Cantidad Codo 90° 1 Unión de Desmontaje 2 Tee paso Directo 2 Medidor de Caudal 1 Válvula de Retención 2 Válvula Ventosa 1 Válvula Compuerta 1 Ampliación (Reducción Inversa) 2 Sumatorias de k Pérdida local = k*v2 /2g : Velocidad (m/s) 1.98 Tramo 3 (FFD DN 250 mm) - Estación de Bombeo Accesorios Codo 45° Sumatorias de k Pérdida local = k*v2 /2g : Velocidad (m/s) Tramo 4 (PVC DN 250 mm) - Línea de Impulsión Accesorios Codo 45° Codo 11.25° Codo 22.5° Te paso directo (válvula de purga) Sumatorias de k Pérdida local = k*v2 /2g : Velocidad (m/s) k 0.90 0.40 0.10 2.50 2.50 0.25 0.20 0.30 Pérdida (m) Cantidad 2 k 0.40 0.71 Pérdida (m) Cantidad 2 5 1 1 k 0.40 0.10 0.20 0.10 0.87 Pérdida (m) Tramo 5 (FFD DN 250 mm) - Reservorio - Many Hall Accesorios Cantidad Unión Gibault 1 Válvula de Retención 1 Unión de Desmontaje 1 Válvula Compuerta 1 Codo 45° 1 Yee 45° con Brida Ciega 1 Sumatorias de k Pérdida local = k*v2 /2g : Velocidad (m/s) 0.71 Tramo 6 (FFD DN 600 mm) - Reservorio - Many Hall Accesorios Cantidad Codo 90° 2 Codo 45° 2 Yee 45° 1 Ampliación (Reducción Inversa) 1 Unión de Desmontaje 1 Válvula de Mariposa 1 Descarga 1 Sumatorias de k Pérdida local = k*v2 /2g : Velocidad (m/s) 1.39 k 0.40 2.50 0.40 0.20 0.40 1.20 Pérdida (m) k 0.90 0.40 0.50 0.30 0.40 0.25 1.00 Pérdida (m) Total 0.90 0.80 0.20 2.50 5.00 0.25 0.20 0.60 10.45 2.09 Total 0.80 0.80 0.02 Total 0.80 0.50 0.20 0.10 1.60 0.06 Total 0.40 2.50 0.40 0.20 0.40 1.20 5.10 0.13 Total 1.80 0.80 0.50 0.30 0.40 0.25 1.00 5.05 0.50 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Central UNMSM D ise ñ o de u n a n u e v a lín e a de im pu lsión y se le cción de l e qu ipo de bom be o pa r a la e x t r a cción de l a gu a su bt e r r á n e a pla n e s de e x pa n sión de m ínim o cost o de a gua pot a ble y a lca nt a r illa do EPS Chim bot e . Ch oy Bej ar , Víct or David Tabla N° 03. Elección del Diámetro Económico - Pérdidas de Carga para Diámetros Alternativos LOCALIDAD : CHIMBOTE Sistema de Agua Potable LINEA DE IMPULSION : POZO P-03 AL RESERVORIO R-2A INFORMACION BASICA 0.035 976.32 135 130 1.79 62.12 12 10 1211.3 0.7183 0.2 18 0.78 0.83 0.65 DIAMETRO ECONOMICO 550 500 V.P. Costos (Miles US$) Caudal de Bombeo ( m3/s ) Linea de Impulsion (m) Hazen & Williams ( C )-PVC Hazen & Williams ( C )-FFD Nivel minimo succion ( m ) Nivel de descarga. Tasa de descuento ( % ) N° de anualidades Funcion de Costos K Equipo a Equipo Costo energia ( US$/Kw-h ) Horas funcionamiento bomba Eficiencia de la bomba Eficiencia del motor electrico Eficiencia conjunta 450 400 350 300 250 DESCRIPCION 160 200 250 300 350 Diametro Nominal (mm) D. Nominal/Diametro Interno de Tuberia ( mm ) PVC PN10 PVC PN10 PVC PN10 FFD K-9 FFD K-9 160 144 200 181 250 226 300 300 350 350 Velocidad (m/s) Gradiente hidraulico (m/m) Altura geometrica (m) Perdidas friccion y local en la Linea de Impulsion (m) Perdidas friccion y locales Estacion de Bombeo (m) Perdidas friccion y locales Reservorio-Many Hall (m) Altura de reserva (m) Altura dinamica total HDT (m) Potencia de consumo del Equipo de Bombeo (HP) Potencia Instalada del Equipo de Bombeo (HP) Potencia Instalada del Equipo de Bombeo (kW) 2.15 0.0307 60.33 30.37 3.19 1.82 0.50 96.22 57.6 69.1 50.8 1.36 0.0101 60.33 10.01 3.08 1.36 0.50 75.28 45.0 54.0 39.8 0.87 0.0034 60.33 3.41 3.03 0.72 0.50 68.00 40.7 48.8 35.9 0.50 0.0009 60.33 0.92 3.04 0.64 0.50 65.43 39.1 47.0 34.6 0.36 0.0004 60.33 0.44 2.45 0.61 0.50 64.33 38.5 46.2 34.0 COSTO DE TUBERIA INSTALADA (US$/metro lineal) COSTO TOTAL DE TUBERIA INSTALADA (US$) COSTO TOTAL EQUIPO INSTALADO (US$) COSTO ANUAL DE OPERACIÓN (Energia-US$) COSTO ANUAL DE MANTENIMIENTO (US$) 26.23 25,610 25,378 66,760 1,000 35.22 34,385 21,277 52,234 1,000 52.23 50,994 19,777 47,179 1,000 71.99 70,288 19,239 45,402 1,000 89.75 87,625 19,004 44,634 1,000 V.P. INVERSIONES TOTALES (US$) V.P. REPOSICIONES TOTALES (US$) V.P. EXPLOTACION TOTAL ( US$) 50,987 39,252 382,862 55,661 42,850 300,783 70,771 54,483 272,223 89,527 68,922 262,183 106,629 82,088 257,841 V.P. COSTOS TOTALES (US$) 473,101 399,295 397,476 420,632 446,558 Elabor ación y diseñ o en for m at o PDF, por la Oficin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bib liot eca Cen t r al UNMSM D ise ñ o de u n a n u e va lín e a de im pu lsión y se le cción de l e qu ipo de bom be o pa r a la e x t r a cción de l a gua subt e r r á ne a pla ne s de e x pa nsión de m ínim o cost o de a gua pot a ble y a lca nt a r illa do EPS Chim bot e . Ch oy Bej ar , Víct or David Tabla N°04. Construcción de la Curva Caracteristica de la Red Pérdidas de carga calculadas con la formula de Hazen-Williams Nivel en la succión: 1.79 m.s.n.m. Caudales (l/s) Nivel de descarga: 62.12 m.s.n.m. 5 10 15 20 25 30 35 40 Altura Geométrica (m) 60.33 60.33 60.33 60.33 60.33 60.33 60.33 60.33 Altura de Reserva (m) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 150 130 19.75 0.28 0.0007 0.015 150 130 14.09 0.28 0.0007 0.010 0.043 250 130 3.24 0.10 0.0001 0.000 0.000 226 135 976.32 0.12 0.0001 0.091 0.001 250 130 8.50 0.10 0.0001 0.001 0.003 600 130 26.22 1.29 0.0024 0.063 0.427 150 130 19.75 0.57 0.0027 0.053 150 130 14.09 0.57 0.0027 0.037 0.171 250 130 3.24 0.20 0.0002 0.001 0.002 226 135 976.32 0.25 0.0003 0.330 0.005 250 130 8.50 0.20 0.0002 0.002 0.011 600 130 26.22 1.31 0.0025 0.065 0.438 150 130 19.75 0.85 0.0056 0.111 150 130 14.09 0.85 0.0056 0.079 0.384 250 130 3.24 0.31 0.0005 0.002 0.004 226 135 976.32 0.37 0.0007 0.698 0.011 250 130 8.50 0.31 0.0005 0.004 0.024 600 130 26.22 1.32 0.0025 0.067 0.450 150 130 19.75 1.13 0.0096 0.189 150 130 14.09 1.13 0.0096 0.135 0.682 250 130 3.24 0.41 0.0008 0.003 0.007 226 135 976.32 0.50 0.0012 1.189 0.020 250 130 8.50 0.41 0.0008 0.007 0.043 600 130 26.22 1.34 0.0026 0.068 0.462 150 130 19.75 1.41 0.0145 0.286 150 130 14.09 1.41 0.0145 0.204 1.066 250 130 3.24 0.51 0.0012 0.004 0.011 226 135 976.32 0.62 0.0018 1.796 0.032 250 130 8.50 0.51 0.0012 0.010 0.067 600 130 26.22 1.36 0.0027 0.070 0.475 150 130 19.75 1.70 0.0203 0.401 150 130 14.09 1.70 0.0203 0.286 1.535 250 130 3.24 0.61 0.0017 0.005 0.015 226 135 976.32 0.75 0.0026 2.517 0.046 250 130 8.50 0.61 0.0017 0.014 0.097 600 130 26.22 1.38 0.0027 0.072 0.487 150 130 19.75 1.98 0.0270 0.533 150 130 14.09 1.98 0.0270 0.381 2.089 250 130 3.24 0.71 0.0022 0.007 0.021 226 135 976.32 0.87 0.0034 3.347 0.062 250 130 8.50 0.71 0.0022 0.019 0.132 600 130 26.22 1.39 0.0028 0.073 0.500 150 130 19.75 2.26 0.0346 0.683 150 130 14.09 2.26 0.0346 0.487 2.729 250 130 3.24 0.81 0.0029 0.009 0.027 226 135 976.32 1.00 0.0044 4.285 0.081 250 130 8.50 0.81 0.0029 0.024 0.173 600 130 26.22 1.41 0.0029 0.075 0.513 61.48 61.94 62.66 63.64 64.85 66.31 68.00 69.92 Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 1 Longitud (m) DN 6" Velocidad (m/seg) FFD Pérdida por friccion / ml Pérdida por friccion (m.c.a.) Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 2 Longitud (m) DN 6" Velocidad (m/seg) Pérdida por friccion / ml FFD Pérdida por friccion (m.c.a.) Pérdida localizada (m.c.a.) Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 3 Longitud (m) DN 10" Velocidad (m/seg) Pérdida por friccion / ml FFD Pérdida por friccion (m.c.a.) Pérdida localizada (m.c.a.) Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 4 Longitud (m) DN 10" Velocidad (m/seg) PVC Pérdida por friccion / ml Pérdida por friccion (m.c.a.) Pérdida localizada (m.c.a.) Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 5 Longitud (m) DN 10" Velocidad (m/seg) Pérdida por friccion / ml FFD Pérdida por friccion (m.c.a.) Pérdida localizada (m.c.a.) Diámetro interior (mm) Coeficiente de rugosidad C Tramo 6 Longitud (m) DN 24" Velocidad (m/seg) Pérdida por friccion / ml FFD Pérdida por friccion (m.c.a.) Pérdida localizada (m.c.a.) Carga total máxima de la Red (m) Elabor ación y diseñ o en f or m at o PDF, por la Of icin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bib liot eca Cen t r al UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable Víct or David de bom beo para la extracción del agua y alcantarillado EPS Chim bote . Choy Bej ar, Tabla N°05. Valores de Altura-Gasto de la Electrobomba Seleccionada Caudal - bomba CAPRARI (l/s) 19 20 21 22 23 24 25 26 106.5 105 104 101.5 100 97.5 96 94 Caudal - bomba CAPRARI (l/s) 27 28 29 30 32 34 36 38 HDT - bomba (m) 92 89 86 82.5 77 72 66 59 Caudal - bomba CAPRARI (l/s) 40 42 52.5 44 HDT - bomba (m) HDT - bomba (m) Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliot ecas y Bibliot eca Cent ral UNMSM D ise ñ o de u n a n u e v a lín e a de im pu lsión y se le cción de l e qu ipo de bom be o pa r a la e x t r a cción de l a gua subt e r r á ne a pla ne s de e x pa nsión de m ínim o cost o de a gua pot a ble y a lca n t a r illa do EPS Ch im bot e . Choy Bej ar , Víct or Dav id Gráfico N° 01. Curvas Caracteristicas de la Red y Bomba - Punto Optimo de Operación 110.00 100.00 BOMBA CAPRARI S9S50/4C 90.00 HDT (m) 80.00 CURVA DE LA RED 70.00 60.00 PUNTO OPTIMO DE OPERACION 50.00 40.00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Elabor ación y diseñ o en f or m at o PDF, por la Of icin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bibliot eca Cen t r al UNMSM D ise ñ o de u n a n u e va lín e a de im pu lsión y se le cción de l e qu ipo de bom be o pa r a la e x t r a cción de l a gua subt e r r á ne a pla ne s de e x pa nsión de m ínim o cost o de a gua pot a ble y a lca n t a r illa do EPS Ch im bot e . Choy Bej ar , Víct or Dav id Gráfico N° 01. Curvas Caracteristicas de la Red y Bomba - Punto Optimo de Operación 69.00 BOMBA CAPRARI S9S50/4C 68.50 HDT (m) CURVA DE LA RED 68.00 67.50 67.00 34.00 QOPTIMO : 35.30 l/s HDTOPTIMA: 68.12 m QDISEÑO : 35 l/s HDTDISEÑO : 68 m 34.50 35.00 35.50 36.00 36.50 37.00 Caudal (l/s) Elabor ación y diseñ o en f or m at o PDF, por la Of icin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bibliot eca Cen t r al UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la extracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Lamina N° 01. Parámetros del Equipo de Bombeo Seleccionado – Q y H óptimo. Bomba Tipo : Sumergible Marca : CAPRARI Modelo : S9S50/4C DN : 125mm Número de etapas : Cuatro (4und) Caudal óptimo : 35.30 l/s HDT óptimo : 68.12 m NPSH : 6.6 m Eficiencia : 78% Marca : CAPRARI Modelo : MHS840 Voltaje : 440 V (Trifásica) Frecuencia : 60 Hz Potencia : 40 HP (30 kW) Velocidad : 3600RPM Factor de potencia : 83% Temperatura Max : 40 °C N° polos : 2 (Dos) Número de unidades : Uno (1 un Motor Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Central UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Tabla N° 06. Dimensiones de Anclajes en la Línea de Impulsión Proyectada – Tubería PVC Enterrada Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 8. ANÁLISIS RESULTADOS 8.1 De la Línea de Impulsión Analizando los resultados obtenidos podemos apreciar que las tuberías de FFD DN 300 mm y DN 350 mm tienen que ser descartadas de la elección del diámetro económico ya que representan un costo alto en comparación con las de PVC, además se ha demostrado a través de los resultados de calculo obtenidos que el flujo se desplazara a velocidades medias menores a 0.6 m/s establecidas por los criterios de diseño, lo que ocasionara en estas líneas problemas de sedimentación de partículas que pueda colarse en el flujo durante el bombeo siendo necesaria la purga de la línea en periodos mas cortos de los recomendados incrementando posteriormente el costo de mantenimiento. Por otro lado las tuberías de PVC proveen mayor eficiencia hidráulica y menores perdidas por fricción. Dentro de estas se observa que la tubería de DN 160 mm presenta mayores perdidas de carga que las de DN 200 mm y DN 250 mm por lo que la descalifica en la elección del diámetro económico presentando un incremente en el costo por energía perdida para lograr alcanzar la altura dinámica total requerida. Además la velocidad media de flujo de esta línea supera los 2 m/s, quedando descartada por estar fuera del rango de diseño. Entonces las tuberías que pueden ser empleadas en el diseño son la de PVC DN 200 mm y DN 250 mm siendo la ultima la seleccionada como la de diámetro económico por presentar el menor costo de total de inversión. La tubería de PVC DN 200 mm puede ser también usada ya que es la alternativa mas aceptable después de la DN 250 mm por presentar una velocidad de flujo más Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David homogénea, es decir cercana a la mitad del rango de diseño pero aquello involucra una mayor perdida de carga en comparación con la tubería seleccionada. La tubería seleccionada de PVC DN 250 mm es de la clase 10 o PN 10 (Presión Nominal = 10 kg/cm2 = 100 m.c.a.), ya que tendría que soportar una presión hidrostática máxima en su punto mas bajo de 82.27 m.c.a. incluida la sobrepresión producto del efecto de golpe de ariete. 8.2 Del Equipo de Bombeo La elección de la bomba sumergible en lugar de la de eje vertical esta condicionada por las características del pozo, es decir su verticalidad la cual debe ser bien definida, así como por la fácil instalación y bajo costo de mantenimiento. La electrobomba Caprari trabajara a un régimen de altura y caudal mayores a los requeridos con menor potencia que la calculada lo que la califica como la selección correcta, aunque su rendimiento sea bajo como se demuestra al calcular su velocidad especifica. Como la bomba es de tipo sumergible, la instalació n dentro del pozo será de 5 metros por debajo del nivel dinámico, asegurando que la variación anual del nivel del acuífero (2.5m a 4m) no afecte la sumergencia requerida para su funcionamiento a 100% de carga. Los valores presentes de reposición y explotación son calculados para un periodo de 10 años considerado como el tiempo de vida útil de la bomba a una tasa de descuento del 12% establecido por el BID para proyectos de agua potable. El coeficiente de velocidad especifica Ns para cada rotor es menor al limite mínimo de la zona de buen rendimiento, esto significa que aunque cae fuera de esta zona la selección es la correcta debido a que se aproxima al mínimo recomendado para alcanzar una buena eficiencia. Pero si comercialmente se encuentra una bomba que cumpla con los requerimientos de diseño girando a una velocidad mayor debe ser analizada ya que un equipo con mayor velocidad Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David involucra un incremento tanto en el tamaño como en el costo en contraste con el incremento significativo que se pueda lograr en su rendimiento, si esto se cumple no convendría realizar dicho cambio en la selección. 8.3 Del la Cimentación De acuerdo a los resultados del factor de seguridad al limite de compresión en la pared del tubo observamos que la carga del relleno sobre este, no presenta riesgo para el emplazamiento de la tubería ya que el tipo y la clase elegida mantendrá su estructura sin llegar al colapso de ruptura para el periodo de las dos etapas de estudio. En lo que respecta a las dimensiones de los anclajes se aprecia que para los accesorios como codos de diferente ángulo y la válvula se tienen diferentes fuerzas hidrostática pero con igual magnitud de aristas del bloque de anclaje (L, W, T y F), ya que el diámetro de contacto del accesorio con el anclaje es el mismo debiendo mantenerse los 5 centímetros a cada lado del contorno del tubo en la base superior del bloque como medida estandarizada. Por consiguiente la superficie de contacto con el terreno también es la misma ocasionando que algunos bloques tengan mayor capacidad de resistencia que otros dando así mayor estabilidad a la línea a posibles desplazamientos por causas sísmicas por la misma fuerza de presión del agua. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 9.1 Conclusiones • La tubería elegida de acuerdo a los resultados obtenidos es la de DN 250 mm por ser la de menor costo total en comparación con los otros diámetros alternativos. • La estabilidad de la tubería seleccionada esta garantizada ya que los resultados demuestran que la clase de tubería de PVC clase 10 soporta sin problemas la sobrepresión por golpe de ariete. • En el diseño de la línea se opta por minimizar el costo de excavación colocando en la progresivas 0+900 y 0+920 dos codos de 11.25° por no ser posible mantener una linealidad de la tubería sin sobrepasar los limites de deflexión establecidos en los parámetros de diseño. • Se instala la válvula de purga en la progresiva 0+400 para facilitar la evacuación de los sólidos sedimentados aprovechando la ubicación del emisor principal Buenos Aires, minimizando el costo de tubería de conexión a este accesorio. • En este proyecto las tuberías de FFD no son convenientes para constituir la línea de impulsión ya que las presiones que experimenta no sobrepasan los 100 m.c.a. • La nueva bomba de tipo sumergible asegurara el suministro de agua al reservorio adecuadamente. Además es la mejor opción por su bajo costo de operación y mantenimiento con respecto a los de eje vertical. • La eficiencia en conjunto es baja (65%), pero suficiente para satisfacer las exigencias de trabajo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David • La bomba no presentara problemas de cavitación ya que el árbol de impulsores estará siempre bajo el nivel de agua en el pozo. • La línea de impulsión no colapsara por falla de ruptura ya que el relleno produce presiones admisibles por la tubería de PVC, así como también no presentara falla por deflexión de su diámetro por ser la altura de relleno menor a la critica. • Se concluye que la selección es la correcta porque se aproxima al mínimo recomendado para obtener una buena eficiencia. 9.2 Recomendaciones La realización del presente trabajo nos permite sugerir las siguientes recomendaciones: • Antes de proceder al diseño, se debe de contar necesariamente con la información de topográfica e hidrogeología de la zona donde se realizara el proyecto, así como si es posible la movilización personal hasta la misma zona para observar las características del terreno y de las estructuras que tienen relación directa en indirecta con el proyecto. • Tener en cuenta siempre que al trabajar con tuberías de PVC estas debe ser tratadas con mucho cuidado ya que son susceptibles a los golpes así como a la exposición prolongada de los rayos ultravioleta por ser sensibles deteriorando la resistencia del material. • Cuando se seleccione la bomba para pozos profundos se deberá tener muy presente la utilidad de este y de las condiciones a las cuales trabajará (ubicación geográfica) para determinar la mas adecuada sin mayor costo de inversión ni problemas de cavitación. • Se recomienda utilizar lo menos posible en la línea de impulsión accesorios de cambio de dirección como los codos ya que estos son costosos. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Por tal motivo es mejor incurrir en la excavación a menos que esta no sea posible por la dificultad del terreno o por que se generará un incremente de los costos mayor con relación a la cantidad de accesorios extras a instalar. • Se recomienda siempre colocar a continuación de la salida del flujo de la bomba una válvula de retención con muelle de cierre para amortiguar el golpe de ariete, en caso que no la tuviera. • Se recomienda no bombear agua a temperaturas mayores de los 60 °C • Asegurarse de que el pozo este libre de partículas de arena que puedan dañar los impulsores de la bomba. • Cerciorarse de que el pozo este aproximadamente a 25 m. lejos de cualquier fuente de contaminación. • Realizar estudios de mecánica de suelos mas profundos, las capacidades de los suelos a distintas profundidades para el establecimiento de los anclajes respectivos en la cimentación. • Se recomienda de ser posible utilizar una bomba que gire a una velocidad mayor que la seleccionada y que cumpla con los requerimientos de diseño sin incremento significativo de tamaño y costo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 10. BIBLIOGRAFÍA 1. “Manual de Tubería y Plomería” (“Pipefilter’s and Plumber’s vestpocket reference book). Autor: Bachman/Murray. Editorial Continental. Decimosexta reimpresión – julio 1992. 2. “Manual de Pozos Pequeños”. Autor: Gibson, Ulric P. Editorial Limusa. Año 1989. 3. “Abastecimiento de Agua -Teoría y Diseño”. Autor: Arocha R. Simon. Editorial Vega. Año 1980 Madrid. 4. “Manual de Bombas”. Autor: Asociación de Ingenieros Académicos (Hidrostal, Worthington, Goulds Pump). Año 1991. 5. “Diseño de Estructuras Hidráulicas”. Autor: Krochin Sviatoslav. 6. “Hidráulica General”. Autor: Sotelo Avila. Editorial Limusa. 7. “Pequeñas Centrales Hidroeléctricas”. Autor: Ramiro Ortiz Flores. Editorial Nomos – McGraw Hill. 8. “Manual de Hidráulica” Autor: J. M. Acevedo Neto y Guillermo Acosta Alvarez. Editorial Edgard Blucher. México – Harla. Sexta Edición 1975. 9. “Diseño de Acueductos y Alcantarillado” Autor: Lopez Cuallo Ricardo. 10. “El Agua Subterránea y los Pozos- Libro de Referencia dedicado a la Industria de los Pozos de Agua”. Primera Edición 1975. Publicado por Jonson División. UOP Inc. 11. “Mecánica de los Fluidos e Hidráulica- Teoría y Problemas” Autor: Ranald V. Giles. Editorial McGraw – Hill . Año 1970. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 12. “Mecánica de Fluidos”. Autor: Irving H. Shames. Editorial McGraw – Hill. Tercera Edición. Año 1995. 13. “Guía del Usuario del Modulo de Presupuestos para Windows Versión 1.0”. Autor: Grupo S10. Primera edición – Septiembre 1997. 14. Separatas del Curso de Costos y Presupuesto – IV Ciclo de Actualización Profesional para Titilación en Ingeniería Mecánica de Fluidos. 15. Separatas del Curso de Hidráulica Urbana y Rural – IV Ciclo de Actualización Profesional para Titilación en Ingeniería Mecánica de Fluidos. 16. Informes del estudio de hidrología y mecánica de suelos realizado por la empresa BCEOM /OIST. 17. Base de datos de costos de materiales, equipos y mano de obra para proyectos de agua potable y alcantarillado – Departamento Técnico – Empresa Consultora CESEL S.A. 18. Parámetros para la evaluación de costos referidos a la potencia del equipo de bombeo y tuberías. SUNASS. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David 11.ANEXOS • Especificaciones Técnicas. • Metrado, Presupuesto y costos unitarios. • Tabla N° 01 : Caudales de Ingreso al reservorio R-2A a través del Many-Hall. • Lamina N° 01 : Características de Bombas Sumergible Utilizables Modelos. • Lamina N° 02 : Dimensiones de Modelos de Electrobombas Sumergible. • Lamina N° 03 : Velocidad Especifica - Zona de Buen Rendimiento. • Lamina N° 04 : Resumen de Nudos por Accesorios. Línea de Impulsión Proyectada : Pozo P-03 al Reservorio R-2A. • Lamina N° 05 : Dimensiones y Forma de Anclajes. Línea de Impulsión Proyectada : Pozo P-03 al Reservorio R-2A. • Plano N° 01 : Planta y Perfil Longitudinal. Línea de Impulsión Proyectada : Pozo P-03 al Reservorio R-2A. • Plano N° 02 : Estación de Bombeo - Detalles. Línea de Impulsión Proyectada : Pozo P-03 al Reservorio R-2A. • Plano N° 03 : Reservorio - Many Hall - Detalles. Línea de Impulsión Proyectada : Pozo P-03 al Reservorio R-2A. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David ESPECIFICACIONES TÉCNICAS I. INSTALACIÓN DE LA LÍNEA DE IMPULSIÓN – PVC I.1 Generalidades Las presentes especificaciones técnicas corresponden al suministro, instalación y puesta en servicio de tubería de cloruro de polivinilo (PVC) lisa para agua potable. Las líneas de agua potable serán instaladas con los diámetros indicados en los planos. I.2 Excavación de Zanja La realización de la zanja y su rellenado depende de los siguientes parámetros: - Entorno. - Características de la tubería (tipo de junta y diámetro). - Naturaleza de terreno (con o sin agua). - Profundidad de colocación. La inclinación de los taludes de la zanja debe estar en función de la estabilidad de los suelos (niveles freáticos altos, presencia de lluvias, profundidad de excavaciones y el ángulo de reposo del material) y su densidad a fin de concretar la adecuada instalación, no olvidando el aspecto económico. En zonas con nivel freático alto, cabe la posibilidad de tener que efectuar entibados o tablestacados en las paredes de la zanja, a fin de evitar derrumbes, Asimismo, es posible tener que efectuar operaciones de bombeo a fin de bajar el nivel freático o recuperar una zanja inundada. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.2.1 Apertura de la zanja Por debajo de la calzada prever la demolición de la vía de circulación, con recorte previo de los bordes de la zanja para evitar la degradación de las partes colindantes. La anchura es un poco superior al ancho de la zanja. La excavación suele efectuarse con una pala hidráulica cuyas características están adaptadas al diámetro del tubo, al entorno y a la profundidad de colocación. Durante la ejecución se tendrá cuidado para: - Estabilizar las paredes, bien mediante taludes, bien por blindajes. - Expurgar los flancos de los taludes para evitar que caigan bloques de tierra o de roca. I.2.2 Anchura de la zanja La anchura de la zanja es función del diámetro nominal, la naturaleza del terreno, la profundidad de colocación y del método de blindaje y compactación. El ancho de la zanja debe ser uniforme en toda la longitud de la excavación. El ancho de la zanja a nivel de la parte superior de la tubería debe ser lo menor posible, de manera que permita una instalación correcta y eficiente, esto minimiza la carga de la tierra sobre el tubo. Así, un aumento en el ancho de zanja por encima de la clave del tubo no incrementa la carga de tierra sobre la tubería. Este aumento de ancho se consigue dando una pendiente adecuada a los costados de la zanja. Una zanja angosta dificulta la instalación de la tubería (tendido y compactación). Como recomendación general se sugiere el siguiente ancho de la zanja al nivel de la clave del tubo: DN + 0,50 m. I.2.3 Profundidad de la zanja Las zanjas se realizan en cada punto con la profundidad indicada por el perfil longitudinal. Salvo estipulación diferente de las bases técnicas, la profundidad Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David normal de las zanjas es tal que el espesor del relleno no sea inferior a 1 metro por encima de la generatriz superior del tubo. I.2.4 Material excavado Todo el material excavado deberá ser ubicado a una distancia aproximada de 0,40 m del borde de la zanja, de tal manera que no obstaculice el trabajo posterior de instalación de la tubería. I.2.5 Realización de taludes Pocas veces utilizada en entorno urbano, debido a las superficies que requiere, la realización de taludes consiste en dar a las paredes una inclinación denominada “ángulo de talud”, que debe aproximarse al ángulo de fricción interno del terreno. Este ángulo varía con la naturaleza de los terrenos hallados. I.2.6 Blindaje de las excavaciones Las técnicas de blindaje son numerosas y es importante estudiarlas y adaptarlas antes de comenzar las obras. El blindaje debe realizarse en los casos previstos por la reglamentación vigente o, de manera general, cuando así lo requiera la naturaleza del terreno. a) Técnicas de blindaje más normales - Tableros de madera en elementos prefabricados (ensamblables o no). - Entibados de madera o metálicos. - Tablestacas. Cualquiera que sea el procedimiento utilizado, habrá que tener en cuenta la presión de las tierras. I.2.7 Fondo de zanja Esta preparación es el comienzo de una instalación satisfactoria. Con rapidez y eficiencia de la maquinaria moderna de excavación, es económico y recomendable excavar un poco más de lo especificado a efectos de nivelar con material granular. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David El material granular colocado a máquina y formado a mano proporciona un fondo de zanja satisfactorio firme y que soporta continuamente la tubería. Los materiales más económicos son: arena, fina o triturado pequeño, ya que su compactación se obtiene con un mínimo de apisonamiento. Con esta base, el objetivo primordial es evitar vacíos debajo y alrededor del cuadrante de la tubería. En lugar de material granular, el sobrecorte puede rellenarse y nivelarse con material seleccionado de la excavación siempre y cuando no contenga piedras grandes, terrones duros y basura. Materiales que tengan piedra, arcilla en pedazos, barro o materia orgánica no deben ser usados. El fondo de la zanja debe presentar una superficie bien nivelada, para que los tubos se apoyen sin discontinuidad a lo largo de la generatriz inferior; a cuyo efecto los cinco centímetro de sobre-excavación, deben rellenarse y apisonarse con arena o tierra fina bien seleccionado. Se determinará la ubicación de las uniones en el fondo de la zanja antes de bajar a ella los tubos, en cada uno de esos puntos se abrirán hoyos o canales transversales de la profundidad y ancho necesario para el fácil manipuleo de los tubos y sus accesorios en el momento de su montaje. El fondo de la zanja debe ser también continuo, plano y libre de piedras, troncos o materiales duros y cortantes. Debe nivelarse también de conformidad con el perfil longitudinal de la canalización y quedar exento de cualquier obra antigua de mampostería. Presencia de agua: La excavación debe empezar aguas abajo y proseguir aguas arriba, de manera que permita la auto-excavación del agua del fondo de la zanja. Cuando la excavación se efectúa en un terreno embebido de agua (napa freática), puede ser necesario evacuar las aguas de la zanja mediante: - Achique por bombeo (directamente en la zanja o en un pozo lateral). - Descenso de la capa freática por aspiración o pozos filtrantes. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.2.8 Lecho de colocación El fondo de la excavación constituye la zona de asiento del tubo. Si el suelo existente es pulverulento y rela tivamente homogéneo, es posible colocar el tubo en el fondo de la zanja como se acaba de describir. Es preciso comprobar que el tubo tiene un asiento suficiente, en especial para los grandes diámetros. Cuando un fondo de zanja no se presta a la colocación directa, conviene aportar un lecho de colocación de gravilla machacada o de arena cuyo espesor es del orden de 10 cm. El tipo y calidad de la cama de apoyo que soporta la tubería es muy importante para una buena instalación, la cual se puede lograr fácil y rápidamente, dando como resultado una instalación sin problemas. - Debe nivelarse también de conformidad con el perfil longitudinal de la canalización y quedar exento de cualquier aspereza rocosa o de obra antigua de mampostería. 30 cm 30 cm 10 cm Para proceder a instalar las líneas de agua, previamente las zanjas excavadas deberán estar refinadas y niveladas. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David El refine consiste en el perfilamiento tanto de las paredes como del fondo, teniendo especial cuidado que no queden protuberancias rocosas que hagan contacto con el cuerpo del tubo. La nivelación se efectuará en el fondo de la zanja, con el tipo de cama de apoyo aprobada por la supervisión. De acuerdo al tipo y clase de tubería a instalarse, los materiales de la cama de apoyo que deberá colocarse en el fondo de la zanja serán: a) En terrenos normales y semirocosos Será específicamente de arena gruesa o gravilla, que cumpla con las características exigidas como material selecto a excepción de su granulometría. Tendrá un espesor no menor de 0,10 m, debidamente compactada o acomodada (en caso de gravilla), medida desde la parte baja del cuerpo del tubo. Sólo en caso de zanja, en que se haya encontrado material arenoso no se exigirá cama. b) En terreno rocoso Será del mismo material y condición del inciso a), pero con un espesor no menor de 0,15 m. c) En terreno inestable (arcillas expansivas, limos etc.) La cama se ejecutará de acuerdo a las recomendaciones del proyectista. I.2.9 Bajada a zanja Antes de que las tuberías, válvulas, grifos contra incendio, accesorios, etc., sean bajadas a la zanja para su colocación, cada unidad será inspeccionada y limpiada, eliminándose cualquier elemento defectuoso que presente rajaduras o protuberancias. La bajada podrá efectuarse a mano sin cuerdas, a mano con cuerdas o con equipo de izamientos, de acuerdo al diámetro, longitud y peso de cada elemento y, a la Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David recomendación de los fabricantes con el fin de evitar que sufran daños, que comprometan el buen funcionamiento de la línea. I.2.10 Cruces con servicios existentes En los puntos de cruces con cualquier servicio existente, la separación mínima con la tubería de agua y/o alcantarillado, será de 0,20 m, medidos entre los planos horizontales tangentes respectivos. El tubo de agua preferentemente deberá cruzar por encima del colector de alcantarillado, lo mismo que el punto de cruce deberá coincidir con el centro del tubo de agua, a fin de evitar que su unión quede próxima al colector. Sólo por razones de niveles, se permitirá que el tubo de agua cruce por debajo del colector, debiendo cumplirse los 0,20 m de separación mínima en la coincidencia en el punto de cruce con el centro del tubo de agua. No se instalará ninguna línea de agua potable, que pase a través o entre en contacto con ninguna cámara de inspección de desagües, luz, teléfono, etc., ni con canales para agua de regadío. I.2.11 Limpieza de las líneas de agua Antes de proceder a su instalación, deberá verificarse su buen estado, conjuntamente con sus correspondientes uniones, anillos de jebe y/o empaquetaduras, los cuales deberán estar convenientemente lubricados. Durante el proceso de instalación, toda las líneas deberán permanecer limpias en su interior. Los extremos opuestos de las líneas, serán sellados temporalmente con tapones, hasta cuando se reinicie la jornada de trabajo, con el fin de evitar el ingreso de elementos extraños a ella. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.3 Relleno de zanjas I.3.1 Modo de efectuar el relleno La manera de efectuar el relleno de la zanja se hará con el objeto de que siempre se evite la formación de cavidades en la parte inferior de los tubos. Se colocará en la zanja primeramente tierra fina o material seleccionado, libre de piedras raíces, maleza, etc. y se pisoneará uniformemente debajo y a los costados de la longitud total, de cada tubo hasta alcanzar su diámetro horizontal. El relleno se seguirá pisoneando convenientemente, en forma tal que no levante el tubo o lo mueva de su alineamiento horizontal o vertical, y en capas sucesivas que no excedan de 10 cm. de espesor, hasta obtener una altura mínima de 30 cm. sobre la generatriz superior del tubo. Esta primera etapa puede ser ejecutada parcialmente antes de iniciar las pruebas parciales de la tubería. El resto del relleno se compactará con rodillos aplanadores y otras máquinas apropiadas de acuerdo con el material de que se disponga. Las máquinas deberán pasarse tantas veces sean necesarias para obtener una densidad del relleno no menor del 95% de la máxima obtenida mediante el ensayo Proctor standard. La compactación se hará a humedad óptima y en capas horizontales no mayores de 15 cm. Tanto la clase del material de relleno como la compactación deben controlarse continuamente durante la ejecución de la obra. No debe emplearse en el relleno tierra que contenga materias orgánicas en cantidades deletéreas ni raíces, arcillas ó limos uniformes. Todos los espacios entre rocas se rellenarán completamente con tierra. No deben tirarse a la zanja piedras grandes por lo menos hasta que el relleno haya alcanzado una altura de 1 m sobre el lomo del tubo o parte superior del colector de concreto. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David En las calles sin pavimento, se dejará la superficie del terreno pareja, tal como estaba antes de la excavación, y los rellenos sucesivos que fuesen menester para acondicionar, la superficie de la zanja en esta forma será parte de la responsabilidad del constructor, hasta por seis meses después de hecho el relleno. En las calles pavimentadas el constructor mantendrá la superficie del relleno al nivel de las calles mientras se repone el pavimento. I.3.2 Asentamiento con agua Si fuera posible, conviene apisonar la tierra del primer relleno con agua, evitando la utilización de pisones, los que podrían admitirse solamente en las capas superiores. I.3.3 Rellenos para tuberías PVC Zona de relleno alrededor del tubo Se distinguen: - El relleno de sujeción(resistencia a la ovalización únicamente en el caso de los grandes diámetros), realizado en tierra expurgada o en materiales de aporte y compactado hasta el tercio inferior. - El relleno de protección (en el caso de terrenos de granulometría muy heterogénea), efectuado con tierra expurgada o arena; este relleno puede actuar como protección y sujeción. Zona de relleno superior Por lo general se va llenando con la tierra sacada sin compactar (caso general) o con materiales de aporte compactados (por debajo de calzada). Para las tuberías PVC, la altura mínima de relleno sobre la clave del tubo debe ser de 1,0 m con encamado y relleno de arena y material fino selecto compactado hasta por lo menos 0,30 m sobre la clave del tubo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.3.4 Restitución del pavimento El contratista restituirá el pavimento, veredas, buzones, bermas, etc. a su condición original. Todo el exceso de tuberías, construcciones temporales, desmontes, etc., será retirado por el contratista, quien dejará el sitio de trabajo completamente limpio a satisfacción del Ingeniero Inspector. I.4 Colocación de líneas de agua potable con uniones Las válvulas, grifos contra incendio, accesorios, etc. necesariamente serán de la misma clase de la tubería a instalarse. I.4.1 Curvatura de la línea de agua En los casos necesarios que se requiera darle curvatura a la línea de agua, la máxima desviación permitida en ella, estará de acuerdo a las tablas de deflexión recomendadas por los fabricantes. I.4.2 Lubricante El lubricante a utilizarse en la instalación de las líneas de agua, deberá ser previamente aprobado por la empresa, no permitiéndose emplear jabón, grasas de animales, etc. que puedan contener bacterias que dañen la calidad del anillo. I.4.3 Niplería Los niples de tubería sólo se permitirán en casos especia les tales como: empalmes a líneas existentes, a grifos contra incendios, a accesorios y a válvulas. También en los cruces con servicios existentes. Para la preparación de los niples necesariamente se utilizará rebajadoras y/o tarrajas, no permitiéndose el uso de herramientas de percusión. I.4.4 Profundidad de la línea de agua Para la operación y funcionamiento de la línea de agua, sus registros de válvulas se hará con tubería de concreto y/o cajas de ladrillos con tapa de fierro fundido u otro material normalizado cuando éstas sean accionadas directamente con Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David crucetas; y con cámaras de concreto armado de diseño especial, cuando sean accionadas mediante reductor y/o by-pass o cuando se instalarán válvulas de mariposa, de compuerta mayores de Ø 16”, de aire y de purga. La parte superior de las válvulas accionadas directamente con cruzetas, estarán a una profundidad mínima de 0,60 y máxima de 1,20 con respecto al nivel del terreno o pavimento. En el caso de que las válvulas se instalen a mayor profundidad, el Constructor está obligado a adicionar un suplex en su vástago, hasta llegar a la profundidad mínima establecida de 0,60 m, ello de acuerdo a lo indicado en Figura N° 1. El recubrimiento mínimo del relleno sobre la clave del tubo, en relación con el nivel del pavimento será de 1,00 m. Sólo en caso de pasajes peatonales y calles angostas hasta 3 m de ancho, en donde no existe circulación de tránsito vehicular, se permitirá un recubrimiento mínimo de 0,60 m sobre la clave del tubo. I.4.5 Ubicación de válvulas Los registros de válvulas estarán ubicados en las esquinas, entre el pavimento y la vereda y alineado al propiedad de los lotes, debiendo el Constructor, utilizar un (1) niple de empalme tipo moha a la válvula, para facilitar la labor de mantenimiento o cambio de la misma. En el caso de que la válvula fuera ubicada en una berma o en terreno sin pavimento, su tapa de registro irá empotrada en una losa de concreto f’c = 140 kg/cm2 de 0,40 x 0,40 x 0,10 m. Los grifos contra incendio se ubicarán también en las esquinas, a 0,20 m interior del filo de la vereda, debiendo estar su boca de descarga a 0,30 m sobre el nivel de la misma en dirección al pavimento. No se permitirá ubicarlos dentro del pavimento, ni tampoco a la altura de los ingresos a las viviendas. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.5 Anclajes y apoyos Los accesorios y grifos contra incendio, requieren necesariamente ser anclados, no así las válvulas que sólo deben tener un apoyo para permitir su cambio. Los anclajes, que serán de concreto simple y/o armado f’c = 140 kg/cm2, con 30% de piedras hasta 8”, se usarán en todo cambio de dirección tales como: tees, codos, cruces, reducciones, en los tapones de los terminales de línea y en curvas verticales hacia arriba, cuando el relleno no es suficiente, debiendo tenerse cuidado de que los extremos del accesorio queden descubiertos. Los apoyos de la válvula, también serán de concreto simple y/o armado. Para proceder a vaciar los anclajes a apoyos, previamente el Constructor presentará a la empresa, para su aprobación, los diseños y cálculos para cada tipo y diámetro de accesorios, grifos o válvulas, según los requerimientos de la presión a zanja abierta y a la naturaleza del terreno en la zona donde serán anclados o apoyados. I.6 Empalmes a líneas de agua en servicio El Constructor obligatoriamente dejará su tubería que ha instalado a un (1) metro de distancia de la línea de agua existente a empalmar en el mismo alineamiento y cota de la tubería en servicio. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Figura N° 1. Caja de válvulas con profundidades mayores de 1,20 m I.7 Dimensiones de las zanjas El ancho de la zanja dependerá de la naturaleza del terreno en trabajo y del diámetro de la tubería por instalar, pero en ningún caso será menor de los estrictamente indispensables para el fácil manipuleo de la tubería y sus accesorios dentro de dicha zanja. ANCHOS DE ZANJA DIAMETRO NOMINAL ANCHO DE ZANJA mm pulg. Mínimo (cm) Máximo (cm) 110 160 200 250 315 400 450 500 4 6 8 10 12 16 18 20 45 45 50 55 60 70 75 80 70 75 80 85 90 100 105 110 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.8 Cruce con vías de primera clase En los cruces con vías de primera clase, la excavación debe profundizarse de manera que el entierro mínimo sobre la cabeza de los tubos llegue a un metro veinte centímetros (1,20 m), debiéndose proteger el tubo con alcantarillas, con tubos tipo Armco, con canaletas o arcos de concreto ó de ladrillo. Esta última protección es aplicable también a los puntos en los que no se puede dar a la zanja la profundidad necesaria. I.9 Prueba Hidráulica en líneas de Agua Potable La finalidad de ejecutar la prueba de la tubería en el campo consiste en comprobar únicamente si el trabajo realizado durante la instalación, el manipuleo y el empalme de los tubos están perfectamente ejecutados. Debe entenderse claramente que esta operación no se refiere a la comprobación de la resistencia del material, tarea que se ha llevado a cabo antes que el tubo salga de la fábrica y que se realiza bajo estrictas normas de control de calidad, de acuerdo a las recomendaciones de las normas nacional y de otras de carácter internacional. Se aconseja no aumentar mucho la presión de prueba con respecto a la presión de trabajo. La tubería se prueba en fábrica a 4 veces la presión de trabajo, según la clase correspondiente, con lo que queda asegurada ampliamente su resistencia. Excederlas con el aumento de presión no mejora las condiciones de funcionamiento y si en cambio puede dar lugar a fatigas de los materiales constitutivos del sistema: tubería, piezas especiales, arranques domiciliarios, anclajes, etc. Antes de efectuar la prueba de presión se debe verificar que la tubería, especialmente las piezas especiales, estén debidamente ancladas. existir relleno sobre la tubería, con excepción de las conexiones. Además debe Este relleno debe tener una altura aproximada a los 50 cm. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David En las partes altas de la línea en prueba, cambios de dirección y extremos cerrados, se deberá prever la colocación de una adecuada cantidad de elementos de purga de aire (válvulas), los que permitirán la eliminación del aire que puede introducirse accidentalmente, así como el que trae el agua en disolución al llenar con agua la prueba de presión. La longitud de la línea de tubería a probar no debe exceder de los 400 metros, recomendándose longitudes menores a medida que se instalen tubos de mayor diámetro. En relación a las especificaciones técnicas señaladas, se consideran las pruebas siguientes: • Prueba hidráulica de tuberías y accesorias en zanja abierta. • Prueba de compactación en el relleno de zanja. • Prueba hidráulica a zanja tapada. I.9.1 Prueba a zanja abierta La presión de prueba será 1.5 veces la presión nominal de la línea de impulsión, conducción y de aducción, medida en el punto más bajo del circuito o tramo en prueba. Antes de llenar las tuberías con agua, los accesorios deben estar correctamente anclados, lo mismo que efectuado su relleno compactado hasta 30 cm por encima de la clave del tubo, debiendo guardar solo al descubierto todas las uniones. La bomba de prueba deberá instalarse en la parte más baja de la línea y de ninguna manera en las altas. Para expulsar el aire de la línea que se está probando, se debe instalar purgas adecuadas en los puntos altos, cambios de dirección y extremos de la misma. El tiempo mínimo de duración de la prueba será de dos (2) horas, debiendo la línea permanecer durante este tiempo bajo la presión de prueba. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David I.9.2 Prueba de compactación en el relleno de zanja Se procederá a la evaluación del nivel de compactación logrado, no debiendo ser inferior al 95% de la máxima densidad seca del proctor modificado ASTM D 698 ó AASHTO T 180. De no alcanzar el porcentaje establecido, se deberá hacer las correcciones del caso, debiendo efectuar nuevos ensayos hasta llegar al nivel deseado. I.9.3 Prueba a zanja tapada La presión de prueba a zanja tapada con relleno compactado será la misma de la presión nominal de la tubería. El tiempo mínimo de duración de la prueba a zanja tapada con relleno compactado será de una (1) hora, debiendo la línea de agua permanecer durante este tiempo bajo la presión de prueba. La bomba de presión se ubica en la parte más baja del circuito en prueba, se purga el aire de la línea colocando un splich en los puntos altos del circuito y en el extremo. El bombeo debe ser lento a fin de no crear turbulencia. I.9.4 Prueba de Deflexión (Para P.V.C.) Se verificará en todos los tramos que la deflexión en la tubería instalada no supere el nivel máximo permisible del 5% del diámetro interno del tubo. Para la verificación de esta prueba se hará pasar una bola de madera compacta o un “mandril” (cilindro metálico de 30 cm de largo) con un diámetro equivalente al 95% del diámetro interno del tubo, la misma que deberá rodar libremente en el interior del tubo o deslizarse al ser tirado por medio de un cable desde el buzón extremo, en el caso del cilindro metálico. Una vez constatado el correcto resultado de las pruebas, se podrá proceder al relleno de la zanja. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David II. INSTALACIÓN DE BOMBAS SUMERGIBLES II.1 Generalidades Es importante que el pozo esté bien perforado, derecho y perpendicular al fondo. Es recomendable que en el momento de instalar la bomba, ésta deberá mantenerse de 3 ó 5 m por debajo del nivel dinámico del pozo según la variación del nivel. La longitud de cada tramo de la columna de ascenso está normalizada a 10 pies. Las bombas de pozo se han proyectado para bombeo de aguas claras desde pozos profundos, debiendo tomar las siguientes consideraciones de uso. - Nunca deben funcionar en seco las bombas sumergibles. - Nunca debe bombearse agua a temperaturas superiores a 60°C, salvo indicación expresa del fabricante. - Mientras no se instalen las bombas, éstas deben conservarse en lugares secos y libres de polvo. Con referencia a su manipulación, se debe usar sistemas de izaje y eslingue idóneo, todo conforme a las normas de seguridad. Se debe cerciorarse que el grupo esté protegido de la intemperie, de la arena y de la radiación solar directa. No se debe abandonar en el ambiente del pozo el material de embalaje, evitando la contaminación del ambiente. II.2 Controles preliminares - Revisar siempre la libre rotación de la bomba, operando con el eje evitando en lo posible dañarlo. - Chequear que la línea de impulsión posea una válvula de retención de cierre rápido para proteger la bomba de eventuales golpes de ariete, una válvula de cierre, un medidor de caudal, una válvula de purga de aire y un manómetro como mínimo. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David - Las tuberías deberán apoyarse cerca de la boca de impulsión, para evitar desalineamientos en el eje de la bomba, mediante dados de concreto. - Para el caso de instalación a profundidades superiores a 10m o períodos de inactividad de 15–30 días antes del arranque, es preciso controlar que la línea de transmisión esté llena de agua, se debe chequear que la bomba gire libremente. El primer arranque se debe efectuar con la válvula de cierre parcialmente abierta, para limitar el arrastre de limo o arena, en el caso que el agua se presente oscura es necesario cerrar ligeramente la válvula hasta obtener una agua clara, posteriormente abrir ligeramente la válvula, controlando que la bomba no bombee una cantidad superior de sólidos de 40 ppm. II.3 Montaje de la Bomba en la Estación de Bombeo Para el manejo de la bomba se debe hacer mediante un equipo de elevación apropiado y no debe permanecer debajo de cargas suspendidas. La bomba siempre debe ser suspendida por su asa de elevación nunca de los cables del motor ó la manguera. La altura mínima entre el gancho de elevación y el suelo deberá ser suficiente como para extraer la bomba del Pozo. El equipo de elevación deberá ser capaz de elevar y descender la bomba verticalmente, de preferencia en lo posible que no requiera que dicho gancho se desplace. El uso de un equipo de elevación sobredimensionado puede causar daños en la bomba por el agarrotamiento que puede presentarse al izarla. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Perfil del Pozo VALVULA DE COMPUERTA VALVULA CHECK MANOMETRO • MEDIDOR DE CAUDAL UNION AUTOPORTANTE NIVEL DINÁMICO PROFUNDIDAD DE SUMERGENCIA (3 m - 5 m) Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David METRADO, PRESUPUESTO Y COSTOS UNITARIOS El metrado, presupuesto y costos unitarios estan hechos en base a lo trazado en la presenta monografía, siendo extraído del plano de perfil longitudinal en el caso del metrado de la tubería para ser evaluada posteriormente en la elección del diámetro económico. Además se considera también el uso de equipo pesado y liviano encontrado en la zona, costos de materiales e insumos como arena, piedra, arcilla, etc. de las canteras cercanas a la obra y la mano de obra aledaña para mantener un menor un menor gasto del proyecto. También esta considerado en el presupuesto los precios unitarios de los tubos y accesorios puestos en obra desde Lima incluyendo el flete calculado con la distancia virtual y el peso del objeto. El precio del equipo de bombeo ha sido estimado en base a su potencia siendo incluida el montaje y desmontaje de equipos encontrados en el pozo así como de las instalaciones eléctricas (Tableros de control, cables, etc.). Por ultimo el presupuesto esta hecho con precios vigentes al mes de Diciembre del 2001. Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Tabla N° 01. Caudales de Ingreso al Reservorio R-2A a través del Many-Hall NOMBRE DEL POZO CAUDAL DE INGRESO (l/s) P-03 P-05 P-07 P-10 P-11 P-13 P-14 P-15 P-16 P-17 CAUDAL TOTAL (l/s) 35 48 50 34 30 48 20 65 32 32 394 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Lamina N° 01. Características de las Bombas Sumergible Utilizables-Modelos 3 00 / 8K / 7A 2 00 / 6A / 6S 15 0 / 5W / 4K 100 / 4C 90 / 3K 80 / 3C 70 60 / 2A / 2C 50 / 2E 40 H =m / 1A 30 / 1D 20 15 10 11 N PSH 9 m 5 / 4C 3 90 80 % 70 / 4C 60 18 22 26 Q = l/ s 30 36 42 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Lamina N° 02. Dimensiones de Modelos de Ele ctrobombas Sumergible B A 160 C TIPO TYPE TYPE CV CH HP DN Max A B C 1 31 3 1 363 548 548 76 5 815 1 563 1703 1 803 688 688 688 875 1 0 1 5 1 1 1 5 2053 2193 2433 818 828 96 8 1 235 1 365 1 465 D E Kg S9S50/ 1 D + MS 6 1 0 S9S50/ 1 A + MS61 2 1 0 1 2. 5 S9S50/ 2E + MS625 S9S50/ 2 C + MHS620 S9S50/ 2 A + MH S 6 2 5 1 5 20 25 S9S50/ 3 C + MHS630 S9S50/ 3K + MHS635 S9S50/ 4C + MHS640 30 35 40 S9S50/ 4K + MH S 6 5 0 S9S50/ 5 W + MS660 S9S50/ 6 S + MHS670 50 60 70 21 2 21 28 2348 2600 96 8 1 1 0 8 1 248 1 1 60 1 240 1 352 1 55 232 2 57 31 0 80 90 100 21 7 2670 2990 3230 1 248 1 388 1 528 1 422 1 6 02 1702 194 334 377 408 S9S50/ 6 A + MHS680 S9S50/ 7A + MHS690 S9S50/ 8K + MH S 6 1 0 0 203 1 25 Bocca O rifice Ports DN A 101 106 1 43 1 25 1 67 170 1 84 205 1 80 Fort Trous H oles B N mm 190 1 23 1 36 1 46 6 mm 1 3. 5 Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Lamina N° 03. Velocidad Especifica – Zona de Buen Rendimiento. HDT (m) 100 80 60 50 40 30 20 17 15 10 8 6 0 50 70 100 150 200 300 400 600 800 900 1300 Ns (rpm) Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la ex tracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote. Choy Bej ar, Víctor David Elaboración y diseño en form at o PDF, por la Oficina General del Sist em a de Bibliotecas y Biblioteca Ce ntral UNMSM A 1 G 1 Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la extracción del agua subterr ánea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote . Choy Bej ar, Víct or David 0 N 25 N D N R DN150 N CORT E A-A D CLORINADOR U PVC DN250 CPT=16.09 FFD DN250 SALA DE EQUIPOS FFD DN150 A A VA AL RESERVORIO +15.79 CASETA D P D PL ANT A Elab or ación y d iseñ o en f or m at o PDF, p or la Of icin a Gen er al d el Sist em a d e Bibliot ecas y Bibliot eca Cen t r al UNMSM Diseño de una nueva línea de im pulsión y selección del equipo de bom beo para la extracción del agua subterránea planes de expansión de m ínim o costo de agua potable y alcantarillado EPS Chim bote . Choy Bejar, Víct or David R -2 A D P L A NT A CA S E T A DE V A L V UL A S DN6 0 0 D D DN6 0 0 D D D DN3 0 0 1 P P P 1 P P P 1 V E RE DA Elabor ación y diseñ o en f or m at o PDF, por la Of icin a Gen er al del Sist em a de Bibliot ecas y Bibliot eca Cen t r al UNMSM