Resumen técnico
Diseño de estaciones de bombeo de aguas residuales municipales
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Este artículo proporciona directrices para el diseño de sistemas de bombeo municipales. Existen tres tipos de sistemas de tratamiento de aguas residuales:
1. Municipios
Estos sistemas están diseñados para dar servicio a una zona de drenaje natural determinada y forman parte del sistema público de alcantarillado sanitario.
2. Industrial
Estas plantas están diseñadas para dar servicio a una industria específica y, por lo general, bombean sus aguas residuales al alcantarillado público. Suelen ser propiedad de la industria y estar operadas por ella.
3. residencial
Estos servicios están destinados tanto a particulares como a complejos multifamiliares.
Generalmente, son propiedad de particulares o complejos, quienes también las gestionan. En todo el país, se utilizan diversas normas para el diseño de estaciones de bombeo de aguas residuales. Si bien todas se basan en principios similares, existen diferencias que deben tenerse en cuenta. El diseñador debe familiarizarse con la norma que utiliza el municipio local. Las siguientes directrices describen un sistema integral que sea fiable y requiera poco mantenimiento. La ubicación de la estación de bombeo dependerá de su tamaño. Sin embargo, incluso las estaciones de bombeo medianas y pequeñas necesitan acceso para el personal y los equipos de mantenimiento, por lo que siempre se debe considerar la facilidad de acceso.
En todos los casos, las estaciones de bombeo deben estar protegidas de daños físicos por un curso de agua local.
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL
Para determinar el caudal medio diario (CBD), es necesario definir el área de servicio. Esta área puede incluir un área de servicio inicial y un área de servicio final. La información sobre el uso del suelo debe estar disponible en las agencias locales o regionales de planificación y zonificación para el área inicial. El uso futuro debe basarse en los planes para el área de servicio. Una vez determinado el uso del suelo, se puede calcular una población residencial equivalente multiplicando la superficie en acres de cada clase de zonificación por el caudal estimado para dicha clase en toda el área de servicio.
La Tabla 1 (a continuación) ilustra el caudal estimado de aguas residuales en terrenos no urbanizados. Una vez determinado el AF para el área de servicio inicial y final, se multiplica por un factor de pico para determinar el caudal máximo.
Este factor de pico variará entre dos y cuatro, dependiendo del área de servicio y los requisitos locales, como se describe en la Sección 32.38 de las Normas Recomendadas para Obras de Alcantarillado, Edición de 1978 (es decir, Normas de Diez Estados). El factor de pico es necesario para que la bomba pueda manejar las variaciones del caudal de entrada al pozo húmedo durante el día.
DIMENSIONAMIENTO/MATERIAL DE LA TUBERÍA PRINCIPAL DE PRESIÓN
Una vez determinado el caudal máximo, se puede dimensionar la tubería de impulsión. La velocidad en la tubería de impulsión debe ser de un mínimo de 2 pies por segundo (fps) y un máximo de 5 fps. Esto es para mantener los sólidos en suspensión, pero sin generar una gran pérdida de carga a través de la tubería de impulsión. Si se utilizan un caudal inicial y un caudal final para diseñar la tubería de impulsión, es posible que la velocidad no se mantenga dentro de estos rangos. Si el caudal varía demasiado, una opción es instalar tuberías de impulsión dobles para permitir un mejor control de la velocidad. Otra opción es proporcionar una unidad de accionamiento variable para que la bomba pueda ajustarse mejor al caudal de entrada. Esto requeriría que el sistema se diseñe para el caudal final.
El diámetro mínimo de las tuberías debe ser de 4 pulgadas cuando se utilicen bombas de aguas residuales con una capacidad de paso de sólidos de al menos 2-1/2 pulgadas, para minimizar la obstrucción de la tubería de impulsión. Si se requieren tuberías de impulsión de menor diámetro, se debe utilizar una bomba trituradora.
Las tuberías de impulsión pueden fabricarse con diversos materiales. El PVC y el polietileno son los más comunes hoy en día debido a su bajo costo y coeficiente de rugosidad. La construcción de las tuberías de impulsión debe ser similar a la de las tuberías de agua, ya que se deben instalar anclajes y bloques en las curvas y derivaciones.
Asimismo, se debe prever la expansión y contracción de la tubería principal a través de las juntas deslizantes. Se deben instalar válvulas de purga de aire en los puntos altos para evitar el bloqueo por aire y el efecto sifón. Se deben instalar válvulas de vacío según sea necesario para permitir la entrada de aire después de un ciclo de bombeo. También se deben considerar las zonas de limpieza para poder limpiar los lugares donde puedan formarse obstrucciones; por lo general, en los puntos bajos o en los cambios de dirección.
ANÁLISIS DE LA CURVA DE CABEZAL DEL SISTEMA
Una vez dimensionada la tubería de impulsión, se puede determinar la curva de carga del sistema. Para calcular la longitud equivalente de tubería, se deben utilizar todos los codos, accesorios, entradas, salidas y longitudes de tubería. Las pérdidas por fricción en la tubería de impulsión se pueden calcular mediante la ecuación de Hazen-Williams. Conociendo el tamaño, el material y la longitud equivalente de la tubería de impulsión, se puede determinar la curva de carga del sistema.
Los dos elementos de la curva de carga del sistema son:
1. la carga estática y 2. la carga por fricción.
1. Cabezal estático Se define como la elevación vertical del fluido que la bomba debe superar. Se supone que es una altura constante después de que la estación se pone en funcionamiento para establecer una línea base de la curva de altura del sistema. Se define de la siguiente manera:
Carga estática = Elevación máxima abierta a la atmósfera* menos el punto más bajo del sistema**
*Normalmente, esta será la salida de la tubería.
**Todas las bombas fuera de elevación (Sugerencia: Utilice la elevación promedio entre "bomba principal encendida" y "todas las bombas apagadas". Esto le dará el punto medio del rango de operación de las bombas).
2. Cabezal de fricción variará durante el bombeo del pozo húmedo, como se indicó anteriormente. Véase la Figura 1 (abajo), que muestra el rango de bombeo causado por el cambio en la carga estática durante el ciclo de bombeo.
En un sistema dado, la carga de fricción variará con el caudal, según lo define la siguiente ecuación:
HL = 10.4397 (L) (Q)1.85 (C)1.85 (d)4.8655
dónde,
HL= Pérdida total de carga por fricción, pies de agua
L =Longitud de la longitud equivalente de tubería de diámetro di ft
C = Coeficiente de flujo de Hazen-Williams (véase la Tabla 2)
Q = Caudal, galones por minuto (gpm)
d = Diámetro interno de la tubería, pulgadas (in)
La pérdida de carga en el sistema debe determinarse para cada sección por separado, en función del material y el diámetro de las tuberías, así como del caudal. Si varias bombas del mismo tamaño van a funcionar simultáneamente, se supone que el caudal desde la bomba hasta la tubería de impulsión común es igual a uno dividido entre el número de bombas en funcionamiento.
Como regla general, se recomienda generar la curva de carga del sistema con aproximadamente 10 puntos, desde el 50 % hasta el 150 % del caudal de diseño. Generalmente, se requiere una curva de carga del sistema independiente para determinar la capacidad total de una estación de bombeo con múltiples estaciones operativas. Posteriormente, se pueden representar gráficamente los sistemas. El cálculo de la curva de carga del sistema se describe en la siguiente sección.
CÁLCULOS DE CARGA TOTAL DINÁMICA Y ESTÁTICA
I. Datos de caudal de diseño de la estación de bombeo
A. Caudal diario promedio: 122,400 galones por día.
B. Caudal promedio/1,440 85 gpm C. Caudal de la bomba 300% (Factor de pico) 255 gpm requerido
II. Coeficiente de rugosidad
C = 120 para tubería de hierro dúctil (DIP); DI DIP = 6 pulg.
C = 150 para PVC; ID PVC = 6 pulg.
III. Longitudes equivalentes y pérdidas menores
IV. Cabezal estático
A. Punto más alto en el sistema 475.6
B. Punto más bajo del sistema 432.40 Carga estática total 43.20
V. Curvas de diseño
Cálculos de la curva del sistema (véanse las tablas A y B).
Al considerar una bomba para satisfacer las necesidades del sistema, el punto de operación de la bomba seleccionada debe coincidir lo más posible con el caudal de diseño y el punto de máxima eficiencia de la misma. La eficiencia de la bomba también es un factor importante a considerar en el proceso de selección. La eficiencia de las bombas varía según el diseño del impulsor (vórtice, semiabierto, cerrado) y el diseño de la carcasa (concéntrica o convoluta).
Si bien todas estas características poseen particularidades únicas, deben tenerse en cuenta en el proceso de selección de la bomba para garantizar un servicio y una fiabilidad a largo plazo. Si la eficiencia de la bomba no está publicada, puede obtenerse directamente del fabricante.
Una vez seleccionada la bomba, se puede determinar la potencia hidráulica (whp), que se define como:
látigo = (1) (TDH) /3,960
dónde,
q = caudal de bombeo (gpm)
TDH = carga dinámica total (pies) en q
potencia al freno (bhp) = whp / eficiencia de la bomba
La curva de altura del sistema se puede representar gráficamente sobre la curva de rendimiento de la bomba, tanto para el funcionamiento con una sola bomba como con dos, para determinar los puntos de operación del sistema. El cambio en la altura estática durante el descenso del nivel freático modificará el caudal de bombeo. Como se muestra en la Figura 2, el rango de bombeo normal variará según el cambio en la altura estática.
DIMENSIONAMIENTO DE POZOS HÚMEDOS
Diseño de estaciones de bombeo de aguas residuales y pluvialesLa Federación para el Control de la Contaminación del Agua, Manual de Prácticas No. FD-4, 1981, pág. 18, indica que el pozo húmedo debe dimensionarse de manera que el tiempo de ciclo de cada bomba no sea inferior a cinco minutos o que el tiempo de ciclo promedio no sea superior a 30 minutos. El ciclo de operación más corto se produce cuando el caudal de entrada es igual a la mitad del caudal de descarga de la bomba.
Por lo tanto, si
V = volumen extraído, gal
q = Caudal de descarga de la bomba, gpm
Q = Caudal de entrada al pozo húmedo, gpm
t = Tiempo mínimo de un ciclo de bombeo en minutos, de inicio a inicio
t = (tiempo de llenado) + (tiempo de ejecución)
que se reduce al volumen operativo donde
Con el volumen de operación, se puede determinar la distancia vertical entre los flotadores de la bomba principal encendida y las demás bombas apagadas para distintos tamaños de pozo húmedo. El tamaño del pozo húmedo se puede determinar en función del volumen de operación y los requisitos de almacenamiento de emergencia.
El volumen de almacenamiento de emergencia dependerá del tiempo de respuesta requerido y del caudal promedio de entrada. El volumen de almacenamiento de emergencia variará según las agencias gubernamentales, pero deberá ubicarse dentro del sistema de alcantarillado, por debajo de la toma de alcantarillado más baja o del punto de rebose más bajo del sistema. El almacenamiento deberá realizarse en el pozo húmedo, el tanque de compensación, las líneas de entrada de alcantarillado o las alcantarillas aguas arriba.
Una vez determinado el tamaño del pozo húmedo, se puede determinar la distancia entre los flotadores para la bomba principal y los flotadores para todas las bombas. Esto dependerá del tamaño del pozo húmedo y del volumen de operación requerido. La distancia vertical entre la elevación del tope común y el fondo del pozo húmedo depende de la bomba seleccionada. La elevación del tope común no debe ser inferior a la parte superior de la carcasa de la bomba o a la especificada por el fabricante, la que sea mayor. La distancia entre los niveles de agua principal, secundaria y alta generalmente depende de la normativa local. Si se utilizan flotadores de mercurio, estos no deben estar separados por menos de seis pulgadas, y el nivel de alarma de agua alta debe estar al nivel o por debajo de la línea de alcantarillado de entrada más baja.
Estos ajustes determinarán la profundidad del pozo húmedo, lo que permitirá completar los cálculos de flotabilidad. El análisis de flotabilidad del pozo húmedo determinará si se requieren métodos de contención adicionales. No se deben incluir en el análisis equipos mecánicos, el peso del agua ni otras cargas temporales. Se debe asumir que el ángulo de reposo del suelo es de cero grados, a menos que el análisis del suelo determine que se justifica otro valor. La fuerza de flotabilidad es igual al volumen desplazado del pozo húmedo y la losa inferior multiplicado por el peso unitario del agua. La fuerza opuesta es igual al peso del pozo húmedo, la losa inferior, la losa superior y el suelo sobre la extensión de la losa inferior, si corresponde. El factor de seguridad es igual a la fuerza opuesta dividida por la fuerza de flotabilidad. El factor de seguridad debe ser >1.5.
CÁLCULOS DE PRESIÓN PRINCIPAL Y GOLPE DE AGUA
El golpe de ariete es un aumento de presión en la tubería causado por un cambio repentino en la velocidad. Este cambio de velocidad suele producirse al cerrar una válvula. Según el Manual de Diseño y Construcción de Tuberías de Uni-Bell, 1986, Capítulo V, la presión máxima de sobretensión que se produce es función de la velocidad de la onda, como se muestra a continuación:
a = 4,660 / (1 + (kd/ET)) 1/2
dónde, a = Velocidad de la onda (pies por segundo)
k = Módulo de compresibilidad del fluido (300,000 psi para el agua)
d = – ID de tubería (pulg.)
E Módulo de elasticidad de la tubería; 400 000 psi para tuberías de PVC, 24 000 000 psi para hierro dúctil, 110 000 psi para polietileno.
t = Espesor de la pared de la tubería (pulg.)
a = 4,660/ ((1 + (k/E) (DR-2))1/2 donde,
DR = Relación de dimensiones = DE (pulg.)/Espesor de pared (pulg.) La presión máxima de sobretensión,
P, entonces es igual a P = – aV/2.31g
dónde, a = Velocidad de la onda (fps), según se define anteriormente
V = Cambio máximo de velocidad (fps)
g = Aceleración debida a la gravedad (32.2 pies/seg²)
Para determinar el cambio máximo de velocidad, se debe considerar el peor escenario posible. Este se produciría cuando todas las bombas funcionan a la altura estática mínima (la velocidad máxima que pueden generar) y se detienen repentinamente. La altura estática mínima se alcanzaría cuando el sistema presenta el nivel máximo de agua.
Se debe tener en cuenta la condición de caudal máximo futura, considerando la posible instalación de bombas de mayor tamaño en el pozo húmedo, lo que a su vez generaría mayores caudales y velocidades. El método actual para abordar este problema consiste en seleccionar una bomba para la condición de caudal máximo y determinar el punto de operación con la mínima altura estática.
A continuación, se puede comprobar la presión total (presión de sobretensión más presión estática) comparándola con la presión nominal de la tubería.
La falla por sobretensión cíclica es otro factor a considerar en la selección del material de la tubería de impulsión. Las investigaciones han demostrado que en sistemas de tuberías donde la variación total de las sobretensiones cíclicas es igual o superior al 50 % de la presión de trabajo, la tubería de impulsión puede fallar por fatiga. A medida que avanza la investigación sobre el tema, se profundiza la comprensión del fenómeno de la falla por fatiga; en consecuencia, se perfecciona el diseño para abordar la sobretensión cíclica y la fatiga cíclica.
A partir de un análisis de regresión de datos de investigación relacionados con los efectos de sobrepresión cíclica, HW Vinson desarrolló la siguiente fórmula:
C = (5.05 S. 1021) S -4.906 donde,
S = Tensión circunferencial máxima (psi)
C = Número promedio de ciclos hasta la falla Esta fórmula implica que en el número definido de ciclos, C, el 50 por ciento de las tuberías de PVC probadas no fallarían.
Se recomienda abordar el diseño de la siguiente manera:
1. Determine la presión máxima, P, a partir de la hidráulica del sistema, incluyendo tanto la presión de trabajo como la presión de sobretensión.
Esto debe compararse con la resistencia supuesta de la tubería.
2. la resistencia supuesta de la tubería, determinar la tensión circunferencial máxima admisible [es decir, Organización Internacional de Normalización (ISO) para tuberías de PVC:
S = P(DR 1)/2].
3. Calcula el número promedio de ciclos hasta el fallo.
4. Calcule los años de servicio antes de que falle el sistema propuesto y compárelos con su vida útil de diseño:
C = +24 ciclos horas horas día X 365 X años días donde,
t = tiempo mínimo de un ciclo de bombeo en minutos, de inicio a inicio
Los siguientes ejemplos ilustran los cálculos de sobrepresión y sobretensión cíclica:
Suponga que SDR = 32.5 para una tubería principal de PVC de 6 pulgadas.
Presión nominal = 125 psi
Si bien las ecuaciones de sobrecarga cíclica de Vinson son herramientas útiles para determinar la fatiga debida a sobrecargas cíclicas, los ingenieros deben tener en cuenta las limitaciones de estas ecuaciones, que son:
1. Las fórmulas se desarrollaron utilizando grandes sobretensiones (del 25 o 50 por ciento por encima y por debajo de una presión base) en muestras de tuberías de PVC.
2. Las frecuencias de los ciclos oscilaban entre 6 y 10 ciclos por minuto. Las ecuaciones no tienen en cuenta el fenómeno de relajación de tensiones.
A continuación se presentan varias consideraciones de diseño que no se han tratado, pero que son fundamentales en algunas aplicaciones.
1. Control de olores En términos generales, si el tiempo de retención en el pozo húmedo o en la tubería de impulsión, según el caudal promedio, es inferior a 30 minutos, no debería haber mayores problemas. El pozo húmedo debe estar debidamente ventilado a la atmósfera.
2. Altura neta de succión positiva (NPSH) En estaciones de bombeo sumergibles de tamaño pequeño a mediano, si la carcasa de la bomba está sumergida y el pozo húmedo está ventilado a la atmósfera, no debería haber mayores problemas. Sin embargo, con caudales elevados, la cavitación podría ser un factor importante a considerar.
3. Válvulas de aire/vacío Dependiendo del perfil y el tamaño de la tubería de impulsión, la presión del aire o del vacío puede ser un factor determinante en la vida útil del sistema. El atrapamiento de aire puede generar una presión excesiva que la bomba no puede superar, y los perfiles con grandes pendientes descendentes que se abren a la atmósfera pueden provocar una presión negativa excesiva que podría colapsar la tubería de impulsión o exceder la capacidad de la bomba, causando su sobrecalentamiento y avería.
4. Seguridad El diseño de una estación de bombeo requiere una revisión de los componentes del sistema para garantizar su funcionamiento seguro. Las escaleras de acceso al pozo húmedo y a la cámara de válvulas, un polipasto para extraer la bomba, la iluminación, la ventilación para eliminar gases peligrosos y la seguridad del sistema eléctrico son los principales elementos de seguridad que deben tenerse en cuenta.
5. Zonas muertas de pozos húmedos En todos los pozos húmedos existen zonas donde los sólidos se precipitan. Es necesario eliminar estas zonas o bien proporcionar un método para resuspender los sólidos y facilitar su desplazamiento.
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