CAPÍTULO 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:

• Levantamiento topográfico en la zona por donde atravesara nueva línea de impulsión y sus alrededores. 
  

• 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.
  

• 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.

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 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. 

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.


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 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:

• Caudal de bombeo.
  

• Longitud de la línea de impulsión.
  

• Coeficiente de rugosidad de Hazen Williams.
  

• Niveles de succión y descarga.
  

• Tasa de descuento (12% establecida por el BID)
  

• Coeficientes de la función costos para equipo (a, k) 
  

• Precio Equipo Instalado=k x (potencia instalada de la bomba)^a.
  

• Costos de energía en kW/hora.
  

• Horas de funcionamiento de la bomba.
  

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 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: 

• DN < 250 mm - Ventosas de DN 60 mm.
  

• DN 300 mm a 600 mm - Ventosas de DN 80 mm.
  

• 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:

• DN 100 mm a 400 mm - Válvulas de DN 100 mm.
  

• DN 400 mm a 600 mm - Válvulas de DN 150 mm.
  

• 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.
  

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.


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.
  

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.