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UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

FISICA II

U

APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE AGUA

Docente :

Lic. Willyam Otazu Villafuerte

Carrera :

Ingeniería Civil

Curso

Fisica II

:

Alumnos :

Luis Mario Quispe Chacón Josue Ccapatinta Melendez Karolayn Santoz Vizarreta Cesar Augusto Rivera Giraldez

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Cusco – Perú Fecha: 15-09-2015

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Índice I.

INTRODUCCIÓN.....................................................................................................2

II.

Resumen ejecutivo..................................................................................................3

III.

Antecedentes.......................................................................................................4

IV.

Clasificacion de las bombas................................................................................6

V. Aplicaciones de las bombas de agua......................................................................8 1. Sistemas de distribucion de para edificaciones...................................................8 A. sistema directo..................................................................................................8 B. sistemas indirecto.............................................................................................9 C.

sistemas mixto.............................................................................................10

2. Sistemas de irrigacion........................................................................................11 A. Irrigacion superficial:.......................................................................................11 B. Irrigacion con rociadores....................................................................................... C. Irrigacion por goteo............................................................................................... VII.

Conclusiones......................................................................................................18

VIII. Bibliografía.........................................................................................................19

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I.

INTRODUCCIÓN

La bomba de agua remonta su existencia hasta el siglo VII a.c. siendo la precursora de la bomba el tornillo de Arquímedes, aunque paralelamente se pudo desarrollar en Asiria Egipto y con los Hititas. Debido a su uso la bomba de agua fue principalmente usada para el transporte de material de lugares bajos a otros altos, para proseguir así bajo el mismo concepto a remover fluidos y terminar complementando esto con las leyes principios y fundamentos que rigen a estos, esto representa la necesidad de un aparato con las funciones de generar energía la cual es la principal herramienta para suplir la mayoría de las necesidades, así que era de esperarse empezar por descubrir dicha forma, así empezamos por descubrir las capacidades de dicho material en cuestión para hacer frente a nuestras necesidades, fue así como surgió la necesidad de llevar agua de un lugar a otro, y generalmente lo primero ocurrido seria por gravedad y por medio de pendientes hacer descender dicho fluido, esto significaría que si un líquido se encontrase debajo para llevarlo a un nivel superior necesitaríamos generar una fuerza encargada de dicho trabajo, principalmente la fuerza del hombre fue un factor muy importante, pero esta no era constante así que se fueron inventando las bombas mecánicas como las que funcionan con energía acumulable como puede ser la de un peso, luego las que funcionan a base de energía almacenable como pueden ser las que funcionan a base de motor el cual transforma gran parte de la energía eléctrica en mecánica para elevar dicha agua, la cual se genera también de fuerza mecánica, la cual se transforma en eléctrica en su estado natural y se redistribuye a la población, la más usada serían las turbinas que generan energía potencial del agua con una velocidad a una determinada altura y un peso en energía eléctrica para reusarse después siguiendo el principio de las bombas de agua. Una bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de un fluido procedente de una energía mecánica que se transmite en su eje por medio de un FISICA II Página 2

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motor. Las bombas son de gran importancia en el trasiego de fluidos, debido a su capacidad de producir vacío, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se desee transportar. Existe una infinidad de bombas las cuales tienen distintas funciones, todo depende del tipo de fluido de la temperatura a la cual se va a transportar y la presión que se soportará. Así surgen las bombas centrífugas que fundamentalmente son máquinas de gran velocidad en comparación con las de movimiento alternativo, rotativas o de desplazamiento. Funciona a altas velocidades, acopladas directamente al motor de accionamiento, con lo que consigue que las pérdidas por transmisión sean mínimas. Una bomba consta esencialmente de uno o más rodetes provistos de álabes, montados sobre un árbol giratorio y cerrado en el interior de una cámara de presión denominada cubierta. Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad, diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrifugas que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubren desde diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, etc., gastos diferentes y materiales de construcción.

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II.

Resumen ejecutivo

Las bombas de agua son aparatos creados por el hombre con la finalidad de impulsar el agua de un lugar a otro, por lo cual las bombas suelen ser de diversos tipos y de acuerdo a su función de diversas formas y con diversas características, las cuales suelen servir de diversas formas como para drenar o llenar espacios con fluidos, de acuerdo a ello la energía necesaria se hará llegar a la bomba que sería el aparato capaz de desarrollar dichas tareas. El sistema de bombeo vendría a ser una red de elementos que unidas realicen el trabajo de transportar agua, por lo cual estos sistemas de bombeo son muy utilizados en la actualidad ya que el fluido más popular en el mundo es el agua, teniendo en cuenta esto no debe faltar la misma como elemento de primera necesidad en los hogares, así siendo el sistema de bombeo una parte importante en la edificación. Es por ello que se emplean las bombas de agua para los sistemas de distribución de agua en edificaciones, los cuales pueden ser directos, indirectos y mixtos, lo cual implica un amplio aprovechamiento de este tipo de bombas en las construcciones en las que se dan cortes de agua generalmente, ya que en nuestra ciudad este problema se da en algunos sectores. Así presentándose la instalación sistemas de bombeo para cubrir las necesidades básicas encontramos desde hace mucho tiempo principios como los de la bomba de flujo axial y los de la bomba de flujo mixto , basándose en la ecuación de velocidad específica, método el cual nos servirá para demostrar cómo llega la misma a diferentes partes y mediante la cual controlaremos la presión así como la cantidad del fluido que debemos transportar, todo esto teniendo en cuenta el tipo de bomba que vayamos a utilizar, teniendo esto en cuenta también presentamos diversos catálogos para escoger algunas bombas de nuestro interés.

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III.

Antecedentes

Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento, son conocidas de diversas formas, dependiendo de la manera en que se registró su descripción, como las ruedas persas, ruedas de agua o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento. La existencia, en algunas partes de Oriente, de ruedas semejantes ha continuado aun dentro del siglo veinte. La más conocida de aquellas bombas, el tornillo de Arquímedes, aún persiste en los tiempos modernos. Todavía se manufactura para aplicaciones de baja carga, en donde el líquido se carga con basura u otros sólidos. Sin embargo, es probablemente más interesante el hecho con todo el desarrollo tecnológico que ha ocurrido desde los tiempos antiguos, incluyendo la transformación de la potencia del agua en otras formas de energía, hasta la fisión nuclear, la bomba queda probablemente como la segunda máquina de uso más común, excedida apenas por el motor eléctrico. Puesto que las bombas han existido por tanto tiempo y su uso está tan extendido, no es de sorprenderse que se produzcan en una infinidad de variedades de tamaños y tipos y que se apliquen también a una infinidad de servicios. Proporcionando un trabajo comprensible de algunos tipos de estas bombas.

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IV.

Clasificación de las bombas

La clasificación de las bombas hidráulicas está basada en el principio por el cual se agrega energía al fluido, asimismo identifica al medio por el cual se aplica este principio y la disposición de los elementos impulsores. Entonces tenemos los siguientes: 

Bombas Dinámicas.- Son aquellas que se añade energía continuamente para incrementar las velocidades de los fluidos dentro de la máquina, las



cuales por el diseño de la carcaza y otras se transforman en presión. Bombas de Desplazamiento Positivo.- Son aquellas que muestran una relación directa entre los movimientos de los elementos bombeados y la cantidad de líquido movilizado.

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En este caso nos enfocamos en las siguientes: 

Bombas centrifugas (flujo radial): La cual presenta una presión

 

relativamente alta con un caudal bajo. Bombas de flujo axial: La cual genera un caudal alto con una baja presión. Bombas de flujo mixto: Las cuales tienen características que semejan algo intermedio a los dos casos

Estos pueden ser definidos de forma mas explicita usando un parámetro dimensional llamado “Velocidad Especifica” (Ns)

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La

expresión

de

velocidad

especifica

se

encuentra

teniendo

en

cuenta

consideraciones de similaridad dinámica, en conjunto con técnicas de análisis dimensional como las utilizadas para deducir la ecuación de Darcy-Weishbach. En la siguiente tabla se muestra una clasificación general de las bombas rota dinámicas, tomando como criterio la velocidad especifica.

Los rangos anteriores se deben interpretar como una guía rápida para establecer qué tipo de flujo es el más probable en una determinada bomba. Para un diseño de bomba dado, la velocidad especifica puede cambiarse si se aumenta o disminuye la velocidad de rotación de la bomba. Los valores típicos de esta están dados por las velocidades de los motores, las cuales son: 450, 900, 1800, 3600.

V.

Sistemas de bombeo para agua

A. SISTEMAS DE BOMBEO DE TANQUE A TANQUE Este sistema consiste por ejemplo en un tanque elevado en la azotea del edificio; con una altura que permita la presión de agua establecida según las normas sobre la pieza más desfavorable. FISICA II Página 8

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Desde el tanque elevado se hace descender una tubería vertical de la cual surgirá para cada piso, una ramificación a los apartamentos correspondientes al mismo, dándose de esta forma el suministro por gravedad. Este sistema requiere del estudio de las presiones de cada piso, asegurándose con este que las mismas no sobrepasen los valores adecuados. En la parte inferior de la edificación existe un tanque, el cual puede ser superficial, semi-subterráneo o subterráneo y en el que se almacenará el agua que llega del abastecimiento público. Desde este tanque un número de bombas establecido (casi siempre una o dos), conectadas en paralelo impulsarán el agua al tanque elevado. B. SISTEMAS HIDRONEUMATICOS Los sistemas hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión. FISICA II Página 9

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El sistema, el cual se representa en el Dibujo anterior, funciona como se explica a continuación: El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente (acometida), es retenida en un tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de bombas, será impulsada a un recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), y que contiene volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, al comprimirse el aire aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados, se produce la señal de parada de la bomba y el tanque queda en la capacidad de abastecer la red, cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos, se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente.

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C. SISTEMAS HIDRONEUMATICOS Son aquellos sistemas de bombeo en donde se suministra agua a una red de consumo, mediante unidades de bombeo que trabajan directamente contra una red cerrada. Los sistemas de bombeo a presión constante se clasifican en dos grupos principales, a saber: • Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad fija. • Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad variable.  SISTEMA DE BOMBEO CONTRA RED CERRADA A VELOCIDAD FIJA Son aquellos sistemas en donde dos o más bombas trabajan en paralelo a una velocidad invariable para cubrir demandas de consumo instantáneo de la red servida. Un nombre más apropiado para estos sistemas sería el de SISTEMAS DE BOMBEO CONTINUO A VELOCIDAD FIJA. A pesar de lo anteriormente expuesto, estos sistemas se convierten en SISTEMAS DE PRESION CONSTANTE con el uso de válvulas reguladoras, que son usadas cuando en la red se requiere en verdad, una presión uniforme. En estos sistemas el funcionamiento aditivo de las bombas se efectúa mediante los diferentes métodos de registrar la demanda en la red; lo cual sirve además para clasificarlos.    

CON SENSOR DE PRESION (TANKLESS) CON SENSOR DIFERENCIAL DE PRESION CON MEDIDORES DE CAUDAL HIDRODINAMICOS (V2/2g) CON MEDIDORES DE CAUDAL ELECTROMAGNÉTICO

 SISTEMA DE BOMBEO CONTRA RED CERRADA A VELOCIDAD VARIABLE Son aquellos sistemas en los cuales la unidad de bombeo varía su velocidad de funcionamiento en razón al caudal de demanda de la red, mediante el cambio de velocidad en el impulsor de la bomba que se logra de diferentes formas, las cuales sirven a su vez para clasificarlos en:

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

VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTORES DE



INDUCCION VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE



RECTIFICADORES DE SILICON VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTO-



VARIADORES MECANICOS VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTO-



VARIADORES ELECTRICOS VARIADORES DE VELOCIDAD POR MEDIO DE MOTOVARIADORES HIDRÁULICOS

1. Sistema de Evacuación de aguas servidas A BOMBAS PARA AGUAS NEGRAS: El sistema de ecuación de aguas negras está constituido por el conjunto de tuberías y de ser necesario de bomba(s) y pozo de recolección. La figura anexa muestra la vista en planta y corte de un pozo de recolección. Este sistema recoge las aguas usadas en la edificación y por lo tanto, los aportes de agua que circulan estarán casi en su totalidad definidos por los consumos de agua para fines domésticos, comerciales, industriales, etc. Es bueno hacer notar que no toda el agua suplida vuelve, en forma de agua usada, a las cloacas, y a que parte es descargada fuera del sistema de recolección.

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2. SISTEMAS DE EVACUACION DE AGUAS DE LLUVIA La determinación del caudal posible afluente a un pozo de recepción de aguas de lluvia es algo complicado debido a que este depende única y exclusivamente de factores naturales los cuales son sumamente diversos y aleatorios; por esta razón no se permitirá, de acuerdo, con las normas, el uso de un mismo pozo o tanquilla para la recolección de aguas negras y de lluvia, aun cuando el sistema cloacal público sea unitario. Sin embargo existen proyecciones de la intensidad de lluvia en muchas localidades, las cuales se expresan como líneas de intensidad de lluvia constante, en el atlas pluviométrico el cual se recomienda consultar. La capacidad de drenaje de los elementos del sistema de recolección y conducción de aguas de lluvia, se calculará en función de la proyección horizontal de las áreas drenadas; de la intensidad, frecuencia y duración de las lluvias que ocurran en la respectiva localidad y de las características y especificaciones de las mismas. Tomando detalladamente todos los factores anteriormente mencionados, se logrará determinar con muy buena aproximación, el caudal afluente en un pozo de recolección de aguas de lluvia y se deberá disponer de un sistema de bombeo completo para la conducción y evacuación de la misma. El cálculo de dicho sistema se hará siguiendo el mismo procedimiento y consideraciones tomadas en el dimensionamiento de los sistemas de agua servidas. La capacidad de las unidades de bombeo se calculará en función de la máxima intensidad de lluvia registrada y del area a ser drenada por el sistema, de acuerdo a las fórmulas antes indicadas.

VI.

Aplicaciones de las bombas de agua

3. Sistemas de distribución de agua para edificaciones: Para ello existen algunos parámetros y son los siguientes:   

La presión de agua en la red pública. Altura y forma de la edificación. Presiones internas necesarias (perdida de carga en codos).

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Según estos parámetros, los sistemas empleados son:

D. SISTEMAS DIRECTOS: Es aquel que da servicio de agua para consumo a una edificación en forma directa, porque no cuenta con ningún tipo de almacenamiento. Ventajas:  

Es económica su instalación. No provoca o permite contaminación de algún tipo.

Desventajas: 

Si no existe un servicio de red pública, no hay servicio en la edificación.

Se recomienda: 

Instalar en lugares donde la presión es alta y el servicio es continuo, generalmente en las cercanías de los reservorios.

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E. SISTEMAS INDIRECTOS: i.

Clásico o convencional:

Es aquel que consta de 2 tanques de almacenamiento, uno en la parte inferior llamado Cisterna y otro en la parte superior llamado Tanque Elevado. Se eleva mediante un equipo de bombeo y una línea de impulsión. Ventajas: 

Permite contar con almacenamiento en horas que no haya servicio en la red.

Desventajas: 

Es fácil de contaminarse por malos manipuleos en alguno de los tanques.

Se recomienda: 

En edificaciones cuyo crecimiento horizontal es menor al vertical.

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ii.

Con hidroneumático:

Consta de un tanque de almacenamiento en la parte inferior (Cisterna) que con ayuda de un equipo de hidroneumático (electrobomba + Tanque Hidroneumático) se abastece por medio de alimentadores. Ventajas: 

Permite contar con una presión uniforme en la edificación, conservando la asía la grifería.

Desventajas: 

Cuando no hay servicio eléctrico no hay servicio de agua en la edificación.

Se recomienda: 

En edificaciones cuyo crecimiento es mayor que el vertical.

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iii.

Con tanque elevado:

Consta de un tanque de almacenamiento en la parte superior de la edificación. A la cual se alimenta directamente y de allí distribuye por acción de la gravedad a toda la edificación.

Ventajas: 

Permite contar con almacenamientos en casos de desabastecimiento de la red pública.

Desventajas: 

Fácil contaminación por manipuleo en el tanque de almacenamiento.

Se recomienda: FISICA II Página 17

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

En edificaciones de tres niveles máximo y cercanos a reservorios (presión).

F. SISTEMA MIXTO: i.

Directo-indirecto convencional:

Es aquel que consta de un sistema directo mas un sistema indirecto o clásico. Esto se da en lugares en donde la presión permite llegar a los primeros niveles en forma directa y a lo siguiente con Cisterna y Tanque Elevado. Se recomienda: 

En lugares donde la presión de la red pública puede establecer a los primeros niveles.

ii.

Convencional-hidroneumático:

Es aquel que se instala por etapas: 

En la primera etapa se abastecerá con un sistema Hidroneumático.

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

En la segunda etapa con un sistema



convencional. Es la combinación de dos sistemas indirectos.

Se recomienda: 

Cuando la construcción no se va a construir en su totalidad y se requiere el uso de sus ambientes de los primeros niveles, este debe



ser abastecido por un sistema hidroneumático. Cuando se concluya en su totalidad la edificación, allí se construirá el tanque elevado del cual se abastecerá por gravedad a las segunda etapa.

En el caso de la maqueta diseñada se realizó un sistema indirecto, ya que el agua es impulsada por un pequeño motor hacia un recipiente que cumple la función de FISICA II Página 19

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tanque elevado, entonces este recipiente empieza a distribuir agua, el cual es conducido a través de un canal hacia un pequeño molino que podría generar electricidad a su vez transformando la energía mecánica producida por su rotación en energía eléctrica que se podría utilizar en la vivienda aledaña. Todo esto se puede apreciar en el siguiente esquema de la maqueta:

Tanque elevado

Turbina generadora

Hidrobom ba

4. Sistema irrigaciones: Se le denomina sistema de irrigaciones al conjunto de estructuras, que hace posible que una determinada área pueda ser cultivada con la aplicación del agua necesaria a las plantas. El sistema de riego consta de una serie de componentes, aunque no necesariamente el sistema de riego debe constar de todas ellas, ya que el conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial (principalmente en su variante de riego por inundación), por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un

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embalse no será necesario si el río o arroyo del cual se capta el agua tiene un caudal suficiente, incluso en el período de aguas bajas o verano. La irrigación es un sistema artificial para aplicar agua a la tierra. Este sistema es muy utilizado en áreas donde llueve muy poco y durante períodos de sequías. También es utilizado para prevenir la consolidación de la tierra, elimina el crecimiento de la maleza en los terrenos de granos, y protege a las plantas de la escarcha. Existen diferentes tipos de irrigación, cada uno con sus ventajas y desventajas.

Como si se tratase de un sistema de distribución de aguas indirecto, el agua es impulsada por una hidrobomba a través de mangueras, las cuales se pueden dar de la siguiente manera: A. Irrigación superficial: El sistema de irrigación superficial es un sistema donde se aplica la fuerza de gravedad para mover el agua a lo largo de la superficie, para poder infiltrarla y mojarla. Esta irrigación también se puede clasificar como riego por fajas, riego por pozas o riego por surcos. La irrigación superficial es el método más comúnmente utilizado y representa casi tanto como el 95 por ciento de la actividad de la irrigación común de hoy en día. 

Ventajas:

La ventaja más obvia es que es el método más ampliamente

entendido

de

irrigación

por

su

popularidad. La irrigación superficial conserva el agua, ya que aplica agua solo en las zonas de las raíces que requieren recambio. Es especialmente útil en casos donde existe escasez de agua. Es relativamente barata para desarrollar, y requiere una FISICA II Página 21

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mínima inversión por parte del agricultor. Este sistema no es afectado por características climáticas o la calidad de agua. 

Desventajas:

La mayor desventaja es que tiende a encharcarse y a la salinidad de la tierra si no están los suministros adecuados para el drenaje. Otra desventaja es que tiende a ser una intensa labor.

B. Irrigación con rociadores: La irrigación con rociadores o por aérea es un sistema en el cual el agua se distribuye a lo largo del terreno con la ayuda de rociadores de alta presión. La idea es simular lluvia durante tiempo seco. 

Ventajas:

Las ventajas de este sistema incluyen la distribución uniforme del agua cuando se encuentran diferentes tipos de suelos en un mismo esquema de riego. Estos son mejores que los sistemas de irrigación superficial en filtrar la sal de la tierra, y no son afectados por la irregular distribución del terreno. 

Desventajas:

La desventaja de este sistema es que es afectado cuando el clima es ventoso, esto perturba la uniforme distribución del agua de los rociadores. C. Irrigación por goteo: La irrigación por goteo es un sistema donde el agua se libera en la raíz de la planta, gota por gota. También se conoce como irrigación por chorro. FISICA II Página 22

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

Ventajas:

La principal ventaja de este sistema es que es el método más eficiente de irrigación con agua. 

Desventajas:

Las desventajas son que es el método más costoso y el menos agradable estéticamente porque las líneas plásticas tienen que instalarse cerca de cada una en el suelo.

VII.

Conclusiones

o Las bombas de agua son importantes en diversos tipos de construcciones debido a que estas colaboran en el transporte de agua. o El funcionamiento básico de las bombas de agua y su fácil elaboración hicieron de esta una de las herramientas más importantes en la vida diaria desde tiempos remotos o Es posible hacer una bomba de agua cacera sin mucha dificultad. o Las bombas de agua tienen diferentes aplicaciones, las cuales van desde transportar agua de un nivel inferior hasta uno superior o icluso ser parte de sistemas de irrigación.

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VIII.

Bibliografía

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