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Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana

Versión: 2005 Página 1

Unidad Temática Nº 9

CONDUCCIÓN DE LIQUIDOS RESIDUALES

Definiciones En el capitulo anterior vimos las distintas características de los líquidos residuales según sea su origen. En el presente capítulo estudiaremos las técnicas y cálculos necesarios para conducir los residuos líquidos desde su

generación a las plantas de tratamiento y posterior volcado a las aguas receptoras. La red de alcantarillado tiene la misión de recoger las aguas o líquidos residuales de las zonas habitadas y conducirlas

hasta las plantas de tratamiento. A veces, y en especial si se trata de líquidos residuales industriales, estos deberán someterse a un tratamiento mas o menos intenso antes de su vertido a la red de alcantarillado, de modo que no puedan causar daños a la salud pública.

Recordando que se llaman aguas o líquidos residuales a los líquidos conducidos por las alcantarillas y que están constituidos por uno varios de los líquidos residuales vistos en el capítulo anterior y que recordaremos brevemente aquí:

Las aguas residuales domésticas o aguas negras, son las originadas en los elementos sanitarios de viviendas, edificios comerciales, fábricas o instituciones.

Las aguas residuales industriales, son los líquidos producidos en los establecimientos industriales y comerciales.

Las aguas de lluvia o pluviales son los líquidos que recogen las alcantarillas debido a la precipitación pluvial. Las aguas de infiltración son la que penetran en las alcantarillas por filtración desde el suelo en donde están

ubicadas.

Sistemas de alcantarillado El diseño de un alcantarillado adecuado para una población exige un cuidadoso trabajo de ingeniería. Las alcantarillas

deben ser de dimensiones convenientes, dado que su colapso puede producir daños a la propiedad y salud de las personas. La determinación de las dimensiones del alcantarillado exige una estimación de las cantidades de agua residual y la topografía del lugar, para que utilizando las leyes de la hidráulica podamos establecer las dimensiones y pendientes del alcantarillado.

Una de las consideraciones muy importante es la velocidad del agua dentro de las cañerías , ya que si no es suficientemente grande, se depositarán los sólidos con la subsiguiente producción de olores y obstrucciones.

Por definición una alcantarilla es un caño o conducto, ordinariamente cerrado, que en general no fluye a sección llena. Las alcantarillas de aguas negras son las destinadas a las aguas residuales domésticas, excluyendo las aguas de lluvia, y ordinariamente se emplean también para recoger las aguas residuales industriales siempre y cuando cumplan con las condiciones de volcado. La alcantarillas para aguas pluviales se destinan a la conducción del agua de lluvia, incluyendo la escorrentía superficial y las aguas de limpieza de las calles.

Las redes separativas son aquellas que conducen separadamente las aguas residuales domésticas e industriales de las aguas de lluvia.

Las redes unitarias son las que conducen conjuntamente las aguas residuales domesticas e industriales y las aguas de lluvia.

Las redes mixtas son aquella que conducen separadamente las aguas domésticas e industriales de las de lluvia, pero los conductos de gran diámetro son unitarios.

Transformaciones biológicas en los alcantarillados Dado que las alcantarillas transportan líquidos residuales con material orgánico y esta va cambiando con el correr del

tiempo, en función de la acción de los microorganismos presentes en el líquido residual. Idealmente, una red de alcantarillado debería cumplir su función en forma efectiva y sin crear inconvenientes a la

población, lamentablemente en muchos casos no ocurre así. Los problemas que pueden reducir la eficiencia de una red incluyen la infiltración, la corrosión excesiva de las alcantarillas e instalaciones complementarias y la producción de olores. Veremos a continuación los siguientes puntos:

Las principales transformaciones biológicas, especialmente la producción de sulfuro de hidrógeno La corrosión de las alcantarillas y los métodos de control de la misma. La producción de gases en el interior de las alcantarillas, incluyendo los que dan lugar a malos olores, su efecto

y control.



Transformaciones biológicas Dos de los problemas mas importantes asociados al funcionamiento de una red de alcantarillas son:

La corrosión de las alcantarillas y sus instalaciones complementarias El control de las emanaciones de gases malolientes en las alcantarillas

Ambos problemas están fundamentalmente relacionados con la producción de sulfuro de hidrógeno. Producción de sulfuro de hidrógeno El sulfuro de hidrógeno presente en el agua residual, resulta, principalmente de la reducción bacteriana del ión sulfato

(SO24

-) existente. Otros compuestos que ocasionalmente contiene el agua residual, tales como sulfitos, tiosulfatos, azufre libre y otros

compuestos inorgánicos pueden también ser reducidos a sulfuro de hidrógeno. Los términos indicados a continuación son básicos para la compresión de los procesos biológicos y químicos que

conducen a la formación y acumulación del sulfuro de hidrógeno en las alcantarillas: Sulfuro de hidrógeno (H2S): el sulfuro de hidrógeno es un gas que está presente, tanto en la atmósfera del

interior de las alcantarillas como en estado disuelto en el agua residual. Este gas es responsable del olor a huevos podridos de muchas aguas residuales. El sulfuro de hidrógeno puede ser oxidado a ácido sulfúrico por la acción de bacterias que se desarrollan en las paredes de los conductos, lo cual da lugar a importantes problemas de corrosión. El gas es tóxico para los seres humanos y ha causado la muerte de muchos operarios de los equipos de mantenimiento.

Ión sulfhídrico (HS-): el ión sulfhídrico se puede formar por la disociación reversible del sulfuro de hidrógeno disuelto. Es la combinación de un ión positivo de hidrógeno y el ión bivalente negativo del sulfuro.

Ión sulfuroso (S2-): el ión sulfurosos puede formarse por una segunda disociación del sulfuro de hidrógeno del agua residual. Básicamente está constituido por azufre elemental con dos electrones adicionales.

Sulfuro: es un término general que engloba a cualquier especie química que contiene el ión sulfuro. Microbiología del proceso La reducción del azufre orgánico e inorgánico a sulfuro puede ser efectuado por un cierto numero de microorganismos. Los microorganismos importantes asociados a la producción de sulfuro de hidrógeno en las redes de alcantarillado son

aquellos que reducen los sulfatos para obtener energía para la vida celular. En condiciones anaerobias, dos géneros de bacterias de la especie Desulfovibrio, comúnmente denominadas bacterias reductoras de sulfatos, pueden convertir el sulfato en sulfito. La reducción suele ir acompañada, en general, de la oxidación de la materia orgánica y en casos especiales del hidrógeno.

Debido a que la mayoría de las aguas residuales contienen bacterias capaces de completar las reacciones citadas, siempre existen las condiciones para la producción de sulfuro de hidrógeno.

Como la reducción bacteriana del sulfato a sulfuro solamente tiene lugar en un medio anaeróbico, normalmente se

Figura 9-1 Película biológica con bajo contenido de oxigeno disuelto



realiza en la parte sumergida de la película biológica que se desarrolla en las paredes de las alcantarillas. En las figuras 9-1 y 9-2 se muestra una representación esquemática de la misma, donde en la figura 9-1 se supone que el

agua residual tiene un bajo contenido de oxígeno disuelto, menor de 1 mg/l, y en la figura 9-2 que el contenido es nulo.

Generalmente, el espesor de la película biológica varía entre 1 y 1,5 mm dependiendo de la velocidad de circulación del agua dentro de la alcantarilla. Cuando la velocidad es muy baja, pueden desarrollarse películas de hasta 3 mm de espesor o mas. Si el agua residual tiene alto contenido de sólidos o materias abrasivas, puede ser que la película biológica no llegue a desarrollarse.

La película biológica contiene normalmente, una población heterogénea de microorganismos, incluyendo formas filamentosas, que sobresalen de la película. El espesor de la capa inerte va decreciendo gradualmente, desprendiéndose periódicamente una parte de la misma como resultado de la acción de arrastre del agua o de su propio peso.

Otras transformaciones biológicas Además de la producción de sulfuro de hidrógeno, las características del agua residual de una red de alcantarillado se

ven modificadas con el paso del tiempo, merced a un conjunto de reacciones realizadas, por otras bacterias no especificadas. Que tales cambios se producen puede ser demostrado midiendo el potencial redox, reducción-oxidación del agua residual.

Las transformaciones que tienen lugar en el agua residual dependen de la existencia de oxígeno disuelto en la misma. En condiciones aerobias, numerosos compuestos orgánicos pueden convertirse en otros mas simples, por ejemplo, dióxido de carbono y diversos compuestos orgánicos oxidados. La presencia de dióxido de carbono tiende a disminuir el pH. En condiciones anaeróbicas, es posible que los compuestos orgánicos complejos del agua residual se transformen en dióxido de carbono, metano, compuestos orgánicos mas sencillos y ácidos. Tanto el dióxido de carbono como los ácidos tienden a disminuir el pH del agua residual.

Corrosión debida al sulfuro de hidrógeno El proceso de corrosión por el sulfuro de hidrógeno se ilustra en la figura 9-3. Aunque en la misma se muestra una

sección de alcantarillado de hormigón, el proceso de corrosión en estaciones de bombeo e instalaciones de tratamiento es esencialmente el mismo.

La cantidad de sulfuro de hidrógeno disuelto presente, aumenta al disminuir el pH. Una vez en solución, el sulfuro de hidrógeno escapa a la atmósfera de la alcantarilla. La cantidad presente en ella está directamente relacionada con la concentración de sulfuro de hidrógeno en la fase acuosa y con el valor de saturación relativa de la atmósfera de la alcantarilla.

Figura 9-2 Película biológica sin oxigeno disuelto



Después de su emisión a la atmósfera interna, el siguiente paso en el proceso de corrosión consiste en su transferencia a la zona de paredes del conducto situada por encima de la superficie del líquido. Puesto que, normalmente, las paredes de las alcantarillas están húmeda debido a las condensaciones en ellas acumuladas, el sulfuro de hidrógeno de la atmósfera quedará fijado a las paredes tan pronto como entre en contacto con ellas. El sulfuro de hidrógeno retenido en esas zonas húmedas es transformado en ácido sulfúrico por la acción de bacterias del tipo Thiobacilus.

Se ha comprobado que algunas especies de Thiobacilus permanecen activas en soluciones que contienen hasta un 7 % de ácido sulfúrico. Sin embargo, esta reacción viene limitada por la humedad y la presencia de oxígeno.

En el siguiente paso de corrosión el ácido sulfúrico reacciona con el cemento del hormigón y, de forma similar con el hierro de la armadura. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es baja, prácticamente la mayor parte del mismo reacciona con el cemento, dando lugar a un material pastoso que queda muy pobremente ligado a los áridos empleados en la fabricación del hormigón. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es elevada, gran parte del mismo no podrá difundirse a través de la masa pastosa citada y, en consecuentemente, será arrastrado de las paredes por la corriente de agua residual en donde reacciona con los álcalis, con lo que el azufre presente quedará en forma de ion sulfato.

Periódicamente, cuando se llena la alcantarilla, parte de la masa pastosa es arrastrada por el agua o se desprende por su propio peso, repitiéndose el proceso a medida que continúa la corrosión de la alcantarilla. La forma de evolución de la corrosión varía, dependiendo de la circulación de aire, de la cantidad de condensados existentes, de la tasa y cantidad de sulfuro de hidrógeno producido y de otros factores locales como la temperatura. Generalmente, la tasa de corrosión será mas elevada en la parte superior de la alcantarilla y junto a la superficie del agua tal como se aprecia en la figura 9-4.

Control de la corrosión La corrosión debida al sulfuro de hidrógeno puede ser controlada por eliminación o limitación de la producción de

aquel. Los principales métodos de control son los siguientes: Control en origen de las descargas que aportan materias orgánicas y azufre Aireación Adición de productos químicos tales como el cloro, peróxido de hidrógeno y otros agentes oxidantes, nitrato

sódico y substancias tóxicas Limpieza periódicas, tanto mecánica como química Ventilación Buen diseño

Los métodos mas utilizados en redes de alcantarillados existentes son la aireación, cloración y limpieza mecánica. En redes nuevas el sistema mas económico es el buen diseño.

En redes en que no se produce sulfuro de hidrógeno pueden utilizarse conductos de hormigón y fribrocemento sin revestir. En aquellos en que existan condiciones de corrosión suave intermitente, se puede usar conductos de hormigón siempre que se aumente el recubrimiento de las armaduras y si se incrementa la alcalinidad del material utilizando áridos calizos en lugar de graníticos. Estos cambios contribuyen a extender el ataque del ácido sobre una masa de material mayor, lo cual ayuda a prolongar la vida de los conductos.

Cuando se prevea que se van a presentar condiciones que den lugar a corrosiones elevadas y no pueda eliminarse utilizando los métodos de control previamente mencionados, debe usarse conductos de gres, de material plástico o

Figura 9-3 Proceso de corrosión de alcantarillas



revestimientos protectores de probada eficacia. Los resultados obtenidos en la utilización de revestimientos a base de pinturas bituminosas o de resinas epoxy han sido muy variables, el ácido, puede difundirse a través de los agujeros del sistema de fijación del revestimiento y atacar el cemento de las tuberías de hormigón. En tuberías de hormigón de gran diámetro se han utilizado satisfactoriamente laminas de cloruro de polivinilo con nervios en forma de T, que quedan inmersos en la masa del hormigón como un encofrado perdido.

Desarrollo, efectos y control de gases malolientes y otros gases A medida que el agua residual circula por una red de alcantarillado, la composición de los gases que constituyen la

atmósfera interior se ve alterada por el ingresos de gases, presentes en los efluentes de origen domiciliario, comercial e industrial. También sufre una alteración por la liberación de gases producidos por las transformaciones bacteriana que tienen lugar en las paredes de las alcantarillas y dentro de la masa de agua residual. A menudo, los gases liberados son muy malolientes. El sulfuro de hidrógeno, que es el gas mas importante de los denominados gases de las alcantarillas, ha sido estudiado con detalle recientemente. El desarrollo de gases malolientes y de otro tipo se verán a continuación.

Desarrollo de gases malolientes y otros gases En los primeros años del desarrollo de la ingeniería sanitaria, se pensaba que los diversos olores de las alcantarillas

podían ser atribuidos a una limitada lista de compuestos entre los que se incluían el sulfuro de hidrógeno, los sulfuros orgánicos, el etil mercaptano, las metilaminas primarias, secundarias y terciarias, el indol, el escatol y el amoníaco. En la tabla 9-4 se observa la estructura química y el olor característico de los mismos.

Tabla 9-4 Principales categoría s de olores desagradables en las alcantarillas Compuesto Fórmula típica Calidad del olor Aminas CH3NH2, (CH3)3N Pescado Amoníaco NH3 Amoniacal Diaminas NH2(CH2)4NH2, NH2(CH2)5NH2 Carne el mal estado Sulfuro de hidrógeno H2S Huevos podridos Mercaptanos CH3SH, CH3(CH2)3SH Zorrino Sulfuros orgánicos (CH3)2S, CH3SSCH3 Col podrida Escatol C8H5NHCH3 Fecal

Con el desarrollo de métodos modernos de análisis se han detectado mas de cincuenta substancias gaseosas diferentes

en la atmósfera de las alcantarillas, desconociéndose por el momento, si todas ellas contribuyen al mal olor. Entre los gases recientemente identificados, alguno de los que se sabe son malolientes incluyen hidrocarburos simples,

aldehídos y cetonas, parafínicos y aromáticos, ácidos carboxílicos y esteres. La presencia de este segundo grupo de compuestos malolientes en el agua residual suele atribuirse, normalmente, mas a los vertidos de origen comercial e industrial que a transformaciones biológicas en el seno del agua residual.

Además de los gases malolientes producidos en las alcantarillas, hay otros que son producidos en reacciones bacterianas de conversión. En condiciones aerobias hay que esperar producción de pequeñas cantidades de dióxido de carbono y amoníaco. En condiciones anaerobias es de esperar la producción de dióxido de carbono, metano y pequeñas cantidades de amoníaco.

Caracterización y medida de los olores Se ha sugerido que se requieren cuatro factores independientes para la caracterización completa de un olor:

Intensidad Carácter Sensación de desagrado Detectabilidad

En el presente la detectabilidad es el único factor utilizado en el desarrollo de normas reguladoras sobre los olores. Los olores pueden medirse mediante métodos sensoriales, y las concentraciones específicas mediante métodos

instrumentales. En condiciones muy controladas, la medida sensorial u organoléptica de los olores por el olfato humano puede procurar una información significativa y fiable. En consecuencia, el método sensorial esta siendo utilizado en la actualidad en la mayoría de los casos para la medida de los olores desprendidos en las instalaciones de tratamiento.

En el método sensorial, las personas, en realidad un grupo de personas, son expuestas a olores que han sido diluidos con aire exento de ellos y se anota el número de diluciones necesarias para reducir el olor al umbral de concentración de olor mínimo detectable (MDTOC). La concentración de olor detectable se expresa como las diluciones necesarias para el MDTOC. De esta manera, si se requiere añadir cuatro volúmenes de aire de dilución a un volumen de aire en estudio para reducir el olor a su MDTOC, la concentración del olor se expresa como cinco diluciones hasta que alcanza el MDTOC.

En los últimos años, diversos organismos han establecido unas normas de emisión de olores basados en las diluciones hasta el MDTOC. Afortunadamente, parece ser que el olor combinado de los gases de alcantarillado, el cual está compuesto por los olores de los gases de sulfuros, aminas, aldehídos y ácidos presentes se correlaciona bastante bien con la concentración de sulfuro de hidrógeno. En consecuencia, el uso de este último parece ser satisfactorio para definir el nivel general de olores del aire existente en las redes de alcantarillado.



Nivel de olor Dependiendo del estado del agua residual y de la localización dentro de la red de alcantarillado, se han podido medir

concentraciones de sulfuro de hidrógeno de hasta 500 ppm en volumen. No es posible dar valores típicos, ya que la cantidad de sulfuro de hidrógeno existente es altamente dependiente de las características de la red de alcantarillado y de la temperatura. Por ejemplo, debido a que los microorganismos responsables de la producción de sulfuro de hidrógeno son muy sensibles a la temperatura, este no se producirá en la mayoría de las redes de alcantarillado situadas en climas fríos.

Efectos de los gases de las alcantarillas Una de las consecuencias de la presencia de gases malolientes en las redes de alcantarillado, especialmente el sulfuro de

hidrógeno, es el peligro potencial para los operarios. En la tabla 9-5 se resumen algunos de los efectos que pueden tener lugar por exposición al sulfuro de hidrógeno. La mínima concentración conocida que ha producido muertes es 300 ppm, mientras que 3.000 ppm supone una muerte casi instantánea. Hay que tener en cuenta que gases desprovistos de olores también pueden ser tóxicos.

Tabla 9-5 Efectos producidos por concentraciones de sulfuro de hidrógeno Tiempos y condiciones de exposición

Concentración en ppm en volumen

Efectos

Exposición prolongada, trabajo ligero

5 a 10 Poco o ninguno

1 a 2 hs. Trabajo ligero 10 a 50 Picazón en los ojos e irritación respiratoria, dolores de cabeza

6 hs. Trabajo manual pesado 50 Ceguera temporal 1 h. Trabajo manual pesado 100 Límite máximo sin

consecuencias serias Otro peligro que debe ser tenido en cuenta en la gestión de una red de alcantarillado es el de las explosiones que pueden

producirse por la ignición de algunos gases acumulados en el interior, fundamentalmente metano y varios de los gases malolientes.

Control de los gases Los gases de las alcantarillas pueden ser controlados por diversos métodos entre los que se destacan el diseño correcto

de la red de alcantarillado y una buena ventilación. Diseño adecuado de la red de alcantarillado: los sulfuros y los problemas de olores suelen producirse en

redes de alcantarillado, especialmente en climas cálidos, en aquellas zonas en que la velocidad del flujo es muy baja, cuando las distancias o los tiempos de recorrido son largos, cuando las alcantarillas fluyen a sección llena y en cañerías de impulsión en las que el agua residual solo está en contacto con el aire en forma intermitente o muchas veces no tiene contacto con el aire, y cuando las redes de alcantarillado no tienen velocidades que procuren la autolimpieza de las mismas o cuando están mal mantenidas. En alcantarillas de pequeño diámetro en las que la pendiente mínima es igual o mayor al 0,006 m/m, no suele producirse acumulaciones de sulfuro de suficiente importancia como para causar problemas, incluso en climas cálidos. En grandes colectores puede llegar a producirse sulfuro de hidrógeno, pero la tasa de acumulación del mismo es mucho menor que en las alcantarillas de pequeño diámetro. La mejor manera de evitar los problemas asociados a la producción de gases es diseñar las redes de alcantarillado de forma que se minimice o elimine la generación de gases en las mismas. Entre los factores a considerar en el diseño para el control de los olores se cuentan:

o Las pendientes, tanto en las alcantarillas menores como en colectores o El tamaño de las alcantarillas o Una cuidadosa selección de los punto en que pueden producirse turbulencias

La selección adecuada de los tamaños de las alcantarillas afecta a la tasa de aireación y a la superficie mojada de las paredes internas. Los puntos de turbulencia controlada pueden usarse ventajosamente para introduce oxígeno en el agua residual, aunque desgraciadamente, si hay sulfuro de hidrógeno presente, será liberado a la atmósfera en tales puntos.

Ventilación: incluso cuando la red de alcantarillado haya sido correctamente proyectada, es necesaria la ventilación de la misma por las siguientes razones:

o Evitar la acumulación de gases que puedan ser explosivos o corrosivos o Evitar la acumulación ocasional de gases malolientes o Reducir la acumulación de sulfuro de hidrógeno o Evitar la creación de presiones por encima o debajo de la atmosférica, las cuales pueden producir

roturas de las cañerías La ventilación mecánica mediante el empleo de ventiladores portátiles es un procedimiento que debe utilizarse siempre que ingresen operarios en las alcantarillas para su inspección o limpieza. El movimiento de los gases en la atmósfera del interior de la red de alcantarillado es debido a varios factores. Uno de ellos es el efecto chimenea causado por la diferencia de peso específico del aire exterior e interior y a la



diferencia de niveles entre los diversos puntos de acceso del aire a la red. Otros factores incluyen el arrastre de aire producido por el agua residual en su circulación y el efecto creado por el viento en los puntos de comunicación de la red con el exterior, especialmente en las salidas de grandes colectores. En invierno, los gases de la atmósfera interior tienen tendencia a desplazarse hacia los extremos superiores de los ramales secundarios, ya que estos están situados a cotas mas elevadas que los colectores, de manera que el aire mas frío penetra por los puntos inferiores. Sin embargo en la práctica, el viento y el arrastre creado por el flujo del agua residual tienen el efecto de contrarrestar el movimiento del aire hacia los extremos superiores de las alcantarillas, dando como resultado la creación, en ocasiones de desplazamientos hacia los puntos inferiores, especialmente en verano cuando se invierte la diferencia de temperatura. Normalmente, las conexiones domiciliarias están conectadas a su vez a conductos de ventilación con lo que aquellas contribuyen a crear la ventilación necesaria en las redes sanitarias. En algunas ocasiones, puede ser necesario recurrir a ventilación forzada, especialmente cuando se instalan sifones entre las alcantarillas y las instalaciones domiciliarias. No es conveniente ventilar las redes sanitarias por medio de imbornales o sumideros sin sifón, ya que estos permiten la salida al exterior de olores desagradables. De ser posible no debe abusarse de la ventilación por las tapas de registro perforadas ya que además de permitir que puedan escaparse olores desagradables, sino también permiten el ingreso de aguas exteriores a la res, por ejemplo las aguas de lluvia. Cuando la salida de la alcantarilla sea sumergida y haya pocas conexiones domiciliarias ventiladas, normalmente será preciso instalar algún tipo de dispositivo de ventilación. Un sistema adecuado puede consistir en la construcción de una chimenea de ventilación cuya sección transversal, al menos, la mitad de la alcantarilla, y cuya altura exceda a la de las construcciones cercanas. Los cambios de sección de las alcantarillas en zonas bajas deben incorporar un dispositivo de venteo aguas arriba del punto bajo para evitar la compresión de la atmósfera interna que haría que el aires se desplazara tanto aguas arriba como aguas abajo del punto en cuestión. En colectores que incluyen uno o mas sifones invertidos, las cámaras de entrada de los mismos deben ir provistas de un dispositivo de venteo, y si es posible con ventiladores extractores, y equiparse con una instalación de desodorización de los gases de la alcantarilla.

Otros métodos de control: en algunos casos, incluso en redes bien proyectadas y dotadas de ventilación, pueden producirse y acumularse ciertos gases. Por ejemplo, en muchas redes antiguas en las que no es posible introducir modificaciones para controlar y eliminar la producción de olores, es preciso recurrir a otros métodos. En la tabla 9-6 se resumen los métodos físicos, químicos y biológicos utilizados en tales casos. El método a usar debe ser seleccionado después de un cuidadoso análisis de las condiciones locales.

Tabla 9-6 Métodos de control de gases malolientes Método Descripción y/o aplicación Biológico – Torres biológicas especiales de arrastre

Este tipo de torres puede utilizarse para arrastrar los compuestos malolientes de la atmósfera de las alcantarillas. Normalmente, las torres se rellenan con medios plásticos de diversos tipos en los que se desarrollan los crecimientos biológicos

Biológico – Filtros percoladores o tanques de fango activado

Los gases de las alcantarillas y estaciones de bombeo se pueden hacer pasar a través de filtros percoladores o ser inyectados en tanques de fangos activados para eliminar los compuestos malolientes

Químico – Oxidación química La oxidación de los compuestos causantes de olores es uno de los métodos de control mas comúnmente utilizados. Entre los oxidantes de uso mas extendido están el cloro, cloruro férrico, peróxido de hidrógeno, ozono y dióxido de azufre. El uso del cloro contribuye a limitar el desarrollo de la película biológica

Químico – Lavado con álcalis Los gases pueden pasarse a través de soluciones de álcalis, tales como cal apagada e hidróxido de sodio para eliminar los olores. Si el nivel de dióxido de carbono es muy elevado, los costes pueden ser prohibitivos

Físico – Adsorción, carbón activado Los gases se pueden hacer pasar a través de lechos de carbón activo para eliminar los olores. La regeneración del carbón puede contribuir a reducir los costes

Físico – Adsorción sobre arena o suelo Los gases pueden pasarse a través de arena o del suelo. A menudo, los gases malolientes procedentes de estaciones de bombeo son conducidos a suelos circundantes o a unos lechos especialmente diseñados que contienen arena o tierra. El papel de las bacterias en la operación de estos sistemas no es bien conocido en el momento presente

Combustión Los olores de los gases pueden eliminarse por combustión a temperaturas variables entre 650 y 760 ºC. Las temperaturas necesarias pueden reducirse por medio de catalizadores. A menudo, los gases de las alcantarillas se incineran conjuntamente con los fangos de las plantas de tratamiento

Agentes enmascarantes Se pueden añadir productos perfumados al agua residual



para contrarrestar o enmascarar los malos olores. En algunos casos, el olor de los agentes empleados es peor que el original

Inyección de oxígeno La inyección de oxígeno, tanto como aire u oxígeno puro, al agua residual para controlar el desarrollo de condiciones anaerobias es un método efectivo. Para ello se ha empleado la inyección directa en las condiciones mediante difusores, aireadores u otras técnicas

Torres de lavado de gases Los gases se pueden hacer pasar a través de torres de lavado de diseño especial para eliminar los olores. Generalmente se utiliza un agente químico o biológico conjuntamente con la torre

Como resumen de todo lo expuesto, es importante recordar que además del papel puramente funcional de transportar las

aguas residuales, el proyecto y operación de una red de alcantarillado puede afectar sustancialmente a las transformaciones biológicas que tienen lugar en el seno de la corriente de agua residual y en las paredes de las alcantarillas. A su vez, estas transformaciones pueden ocasionar la corrosión de aquellas, la producción de olores y la alteración de la composición del agua residual a tratar. No es habitual que estos temas sean tenidos en cuenta en el diseño de las instalaciones de alcantarillado y tratamiento. De tener en cuenta estos problemas en un diseño integral de la red de alcantarillado y plantas de tratamiento, se mejora la eficiencia de ambas instalaciones.

Cálculo de caudales La determinación de las cantidad de aguas residuales a eliminar de una comunidad es fundamentalmente para el

proyecto de instalaciones de recolección, bombeo y tratamiento. Es importante poder disponer de datos precisos sobre cantidades actuales y las previstas para la población futura.

Desarrollaremos a continuación los parámetros para determinar el caudal de las aguas residuales: Definición de los componentes que forman el agua residual. El agua utilizada para abastecimiento público y sus relaciones con el caudal de agua residual. Origen de las aguas residuales y sus caudales. Análisis de los datos relativos a los caudales Métodos para reducir los caudales de agua residual Métodos de medida de caudales de agua residual

Componentes de los caudales de agua residual Los componentes que configuran el agua residual que genera la comunidad dependen del sistema elegido para su

recolección ya vistos anteriormente y pueden incluir a: Agua residual doméstica Agua residual industrial y comercial Infiltración y conexiones incontroladas Agua pluvial

A continuación veremos lo caudales de las distintas aguas residuales Origen y caudales de las aguas residuales domésticas Las principales fuentes de agua residual doméstica la constituyen las zonas residenciales y las industriales y comerciales

incluidas dentro de la trama urbana. Otra fuente importante son las instalaciones públicas y de recreo. En el caso de pequeñas zonas residenciales es corriente determinar los caudales de aguas residenciales a partir de la

densidad de población y de la contribución media per cápita. En la tabla 9-7 se señalan datos de los rangos de variación y caudales típicos para el cálculo. En los grandes barrios residenciales y en general en las poblaciones se utiliza un valor estimado del 80% al 85 % del consumo de agua proyectado.

Tabla 9-7 Caudales medios de agua residual de origen residencial Origen Unidad Intervalo l/día Valor típico Apartamentos Persona 200-340 260 Hotel Residente 150-220 190 Casa media Persona 190-350 280 Casa de la clase alta Persona 250-400 310 Casa de lujo Persona 300-550 380 Casa semimoderna Persona 100-250 200 Chalet de verano Persona 100-240 190 Camping de caravanas Persona 120-200 150

Cuando adoptamos este último criterio hay que considerar los aportes puntuales y específicos de las instalaciones

industriales y comerciales.



Con respecto a las instalaciones industriales lo que normalmente se hace es aforar o medir los caudales de las aguas residuales que producen.

Los caudales de agua residual comercial pueden expresarse en metros cúbicos por hectárea por día. Las dotaciones pueden variar de 14 hasta 1.500 m3/h/d y su estimación se hace por comparación con otras instalaciones aforadas. La tabla 9-8 nos brinda estimaciones de caudales de ciertas actividades comerciales.

Tabla 9-8 Caudales medios de agua residual originadas en actividades comerciales Origen Unidad Intervalo l/día Valor típico Aeropuertos Pasajero 8-15 10 Estación de servicio Vehículo 30-50 40

Empleado 35-60 50 Bar Cliente 5-20 8 Empleado 40-60 50 Hotel Huésped 150-220 190

Edificios industriales Empleado 30-50 40 Empleado 30-65 55 Máquina 1800-2600 2200

Lavandería

Lavado 180-200 190 Motel Persona 90-150 120 Motel con cocina Persona 190-220 200 Oficina Empleado 30-65 55 Restaurante Comida 8-15 10 Pensión Residente 90-190 150

Sanitarios 1600-2400 2000 Grandes almacenes Empleado 30-50 40 Estacionamiento 2-8 4 Centro comercial Empleado 30-50 40

Las aguas residuales de instituciones públicas son de naturaleza esencialmente doméstica. En la tabla 9-9 se presentan

algunos valores típicos que puede utilizarse en ausencia de otros datos.

Tabla 9-9 Caudales medios de agua residual de origen institucional Origen Unidad Intervalo l/día Valor típico

Cama 500-950 650 Hospital Empleado 20-60 40 Cama 300-550 400 Hospital psiquiátrico Empleado 20-60 40 Presidiario 300-600 450 Cárcel Empleado 20-60 40 Residente 200-450 350 Casa de reposo Empleado 20-60 40

Colegio por día con cafetería, gimnasio y duchas

Estudiante 60-115 50

Colegio por día con cafetería

Estudiante 40-80 60

Colegio por día solo sanitarios

Estudiante 20-65 40

Internado Estudiante 200-400 280 Los caudales procedentes de las instalaciones recreativas tienen un carácter estacional y en la tabla 9-10 se dan algunos

valores típicos.

Tabla 9-10 Caudales medios de agua residual de origen recreativo Origen Unidad Intervalo l/día Valor típico Apartamentos de temporada Persona 200-280 220 Refugio de temporada Persona 130-190 160

Cliente 4-10 6 Cafetería Empleado 30-50 40

Camping Persona 80-150 120 Asiento 50-100 75 Bar Empleado 30-50 40 Socio 250-500 400 Club de campo Empleado 40-60 50

Campamento de día Persona 40-60 50 Comedor Comida servida 15-40 30 Dormitorio Persona 75-175 150 Hotel de temporada Persona 150-240 200 Lavandería Máquina 1800-2600 2200

Cliente 5-20 10 Almacén de temporada Empleado 30-50 40

Piscina Cliente 20-50 40



Empleado 30-50 40 Teatro Asiento 10-15 10

Procedencia y caudales de aguas residuales industriales Los caudales de aguas residuales de tipo industrial varía según el tipo y tamaño de la industria y también según el

método de tratamiento de los residuos. Los caudales de punta son frecuentes y pueden reducirse mediante el empleo de tanques de retención y de homogeneización.

En ausencia de datos se puede estimar que un valor típico de los caudales procedentes de zonas industriales en la que no existan industrias que utilicen procesos húmedos se sitúa alrededor de 30 m3/hab/día. Cuando se conozca el caudal consumido por las industrias, el caudal de aguas residuales puede estimarse mediante una prognosis de evolución de la demanda de agua. En industrias en las que no se practica la reutilización interna, puede suponerse que entre el 85 % y el 95 % del agua utilizada en las operaciones y procesos se convierte en agua residual. En grandes industrias en las que se realiza reutilización interna del agua, deben hacerse estimaciones específicas. El valor medio del agua residual doméstica o sanitaria que se genera en las actividades industriales puede variar de 30 a 90 l/hab/día.

Infiltración y conexiones incontroladas Los caudales de agua que son recogidos incontroladamente en las alcantarillas se definen como:

Infiltración: incluye el agua del subsuelo que penetra en la red de alcantarillado, a través de cañerías defectuosas, juntas de cañerías, conexiones y paredes de bocas de registro. La infiltración no incluye, y de ellas se distingue, lo que se conoce como conexiones incontroladas, que se definen a continuación.

Conexiones incontroladas: bajo esta denominación se incluyen el agua recogida en la red de alcantarillado, procedente de diversos orígenes, tales como desagües de tejados, sótanos, patios y drenajes superficiales, drenes de cimientos, vertidos de aguas de refrigeración, drenes de fuentes y zonas pantanosas, tapas de bocas de registro, conexiones incorrectas con alcantarillas pluviales y unitarias aguas pluviales, escorrentía superficial, aguas de lavado de calles y drenaje en general.

Infiltración en las alcantarillas Parte del agua pluvial discurre rápidamente por las alcantarillas pluviales u otros conductos de desagüe. Otra parte se

evapora o es absorbida por la vegetación, y el resto se infiltra en el suelo, transformándose en agua subterránea. La proporción que se infiltra en el suelo depende de la naturaleza de su superficie y de las características del suelo, así como de la cantidad y distribución de las precipitaciones según las estaciones. Cualquier reducción en la permeabilidad, como la debida a edificios, calzadas o heladas, disminuye la oportunidad de que las precipitaciones se conviertan en agua subterránea y aumenta, consecuentemente, la escorrentía superficial.

La cantidad de agua subterránea que fluye de un lugar dado puede variar desde un cantidad inapreciable, en zonas sumamente impermeables o con un subsuelo denso, hasta un 25 % a 30 % del agua caída en una zona semipermeable con subsuelo arenoso que permita que el agua lo atraviese rápidamente. La infiltración en el suelo de agua provenientes de ríos u otras corrientes tiene a veces un considerable efecto sobre el nivel freático, que sube y baja frecuentemente.

La presencia de agua subterránea con un nivel freático elevado produce infiltraciones en las alcantarillas y un aumento de la cantidad de aguas residuales y, por tanto, del coste para su evacuación. Esta infiltración de agua subterránea puede oscilar entre 0,01 a 1,0 m3/d/mm-km, e incluso más.

El número de milímetros y kilómetros en una red de alcantarillas es la suma de los productos de los diámetros de las alcantarillas, expresadas en milímetros, los las longitudes expresadas en kilómetros, de las alcantarillas correspondientes a esos diámetros. Dicho de otro modo, la infiltración puede variar desde 0,2 a 30 m3/hab/día.

Durante las lluvias intensas, cuando puede producirse entrada de agua por las tapas de las bocas de registro, así como infiltración en las mismas alcantarillas, la cantidad puede exceder los 500 m3/hab/día.

El agua de infiltración y conexiones incontroladas es una componente variable de las aguas residuales y depende de la calidad de los materiales y mano de obra utilizados en las conexiones con los edificios y alcantarillado, del tipo de mantenimiento y de la variación del nivel freático comparado con el del alcantarillado.

La mayoría de las alcantarillas construidas antiguamente tienen juntas de cemento y mas antiguamente con compuestos a base de betún caliente. Las bocas de registro eran construidas casi siempre con mampostería de ladrillos. El deterioro de las juntas entre los caños, o los caños y las bocas de registro, y del recubrimiento de impermeabilización de las bocas de registro ha creado condiciones muy favorables para la infiltración en las alcantarillas.

El diseño moderno de redes de alcantarillado exige el uso de cañerías de alta calidad, bocas de registro construidas con hormigón armado, o prefabricados con juntas de aro de goma y el uso de otros materiales sintéticos. El empleo de estos materiales perfeccionado ha reducido en gran medida la infiltración en las alcantarillas recientemente construidas.

Conexiones incontroladas en las alcantarillas Las conexiones incontroladas se suelen subdividir en dos categorías. Las primera incluye sótanos y drenes de cimientos, drenaje de fuentes y áreas pantanosas. Este tipo de conexiones

incontroladas crea un flujo regular que no puede identificarse por separado y por ello se ve incluido en la medida de la infiltración.



La segunda categoría consiste en estos tipos de conexiones incontroladas que están directamente relacionados con la escorrentía de aguas pluviales, y como resultado de la precipitación, ocasiona un aumento casi inmediato en los caudales de las alcantarillas sanitarias.

Los posibles orígenes son las bajadas de los tejados, desagües de patios, tapas de bocas de registro, conexiones erróneas con desagües pluviales, imbornales y alcantarillas unitarias.

Tolerancias de infiltración en las alcantarillas a efectos del proyecto El proyecto de redes de alcantarillado debe tener en cuenta la inevitable presencia de aguas procedentes de infiltración y

conexiones incontroladas que constituyen un caudal adicional al de la propia agua residual. Los caudales medios debe basarse en datos procedentes de alcantarillas similares, con las modificaciones apropiadas

para tener en cuenta la diferencia de materiales, de los métodos de construcción y las posibles diferencias entre las condiciones previstas para el futuro

En ausencia de datos confiables, puede utilizarse los valores de infiltración media indicados en la figura 9-11 para alcantarillas a construirse, provistas de bocas de registro prefabricadas con aros de goma en juntas, hormigón armado o materiales plásticos. En todos los casos, los valores de infiltración adoptados en el proyecto debieran reflejar las condiciones esperadas en la red de alcantarillado al final del período de vida para el cual dicha red se ha proyectado.

Los caudales medios a utilizar en el proyecto de plantas de tratamiento de aguas residuales y estaciones de bombeo, pueden estimarse añadiendo a los caudales medios domésticos, comerciales e industriales, la magnitud de los caudales medios previstos para la infiltración derivados de conexiones incontroladas, a causa de su naturaleza esporádica, no afectan apreciablemente los caudales medios de proyecto.

Variaciones en los caudales de agua residual Los caudales de aguas residuales, cualquiera sea su origen sufren variaciones en su caudal tanto sea horarias como

estacionales. Esto implica la existencia de caudales de punta o de pico que veremos mas adelante. Variaciones horarias La variación de los caudales de agua residual observados, tienden a seguir una cierta pauta diaria, como la mostrada en

la figura 9-12.

Figura 9-11 Valores de infiltración media

Figura 9-12 Variación horaria del agua residual domestica



Los caudales mínimos se producen durante loas primeras horas, cuando el consumo de agua es mas bajo y cuando el caudal circulante se debe, principalmente, a escapes, infiltraciones y pequeñas cantidades de agua residual sanitaria. La primera punta del caudal se presenta, ene general, inmediatamente después del máximo uso de agua, producido a última hora de la mañana. Una segunda punta se presenta, normalmente, en las últimas horas de la tarde, entre las 19 :00 y las 21:00 horas, aunque dicho entorno es muy variable, según el tamaño de la población servida y la longitud de la red de alcantarillado.

Cuando los caudales de aguas extrañas a la red, infiltración y conexiones incontroladas, son mínimos, los caudales de descarga de aguas residuales son casi paralelos con los de provisión de agua potable, pero con un defasaje de tiempo como se observa en la figura 9-13

Variaciones estacionales Las variaciones estacionales en los caudales de agua residual ocurren normalmente en zonas turísticas, en pequeñas

comunidades con establecimientos educativos, y en aquellas cuyas actividades comerciales o industriales, tienen un carácter estacional. La magnitud de estas variaciones depende tanto del tamaño de la comunidad como de la actividad estacional.

Los caudales provenientes de la infiltración y conexiones incontroladas también pueden variar estacionalmente. El agua pluvial y subterránea que penetra por infiltraciones tiene variaciones estacionales según el régimen de lluvias de la región.

Variaciones de origen industrial No hay procedimiento infalible para predecir los vertidos de aguas residuales de procedencia industrial. A pesar de que

los cambios en los procesos internos pueden conducir a la reducción de vertidos, la ampliación de la actividad industrial puede incrementarlos desproporcionadamente. En los casos en que se prevea construir instalaciones conjuntas de tratamiento, debe prestarse especial atención a los caudales de crecimiento de los vertidos industriales, los cuales pueden ser realizados por la misma industria en conjunto con los entes que controlan los servicios de alcantarillado.

Debe tenerse muy presente que los vertidos industriales son mucho mas perjudiciales en plantas de tratamiento de pequeño tamaño, en las que la capacidad para absorber descargas instantáneas es bastante limitada.

Análisis de los datos de caudales de agua residual Cualquiera que sea la metodología del diseño hidráulico de la red de alcantarillado viene afectado por las variaciones de

los caudales de agua residual, es preciso adoptar valores de proyecto para los caudales permanentes y los caudales de punta previsibles.

La buena práctica de la ingeniería exige la estimación por separado de los factores de punta, para los caudales de agua residual doméstica, industrial y comercial y para la infiltración y las conexiones incontroladas.

Factores de punta del agua residual Teóricamente, los factores de punta, es decir la relación entre el caudal de punta y el caudal medio, podrían ser

estimados para cada uno de los grandes usuarios de la red o para cada categoría de agua residual. Con este procedimiento, los caudales medios individuales se multiplicarán por estos factores y los caudales de punta resultantes se combinarán para obtener los caudales máximos previsibles. Desgraciadamente, este grado de refinamiento es raramente posible, por consiguiente, los factores de punta utilizados deben estimarse mediante la utilización de métodos mas generales.

Cuando no existen registros medidos de caudales de punta puede utilizarse la curva de la figura 9-14. La misma se basa en los caudales medios y es adecuada para su uso en los casos en que el agua residual contenga pequeñas cantidades de caudales de origen comercial e industrial.

Figura 9-13 Defasaje horario de provisión agua y agua residual



Cuando las aguas residuales de procedencia institucional o industrial supongan una proporción significativa de los caudales medios, es decir aproximadamente el 25 % o mas de todos los caudales, con excepción de la infiltración, los factores de punta para las diversas categorías de caudales deben ser estimados por separado. Siempre que sea posible, los factores de punta para aguas residuales industriales deben ser estimados a partir de la media del agua utilizada, del número de turnos de trabajo y de los detalles específicos de la operación de la industria.

Factores de punta de la infiltración Los caudales de punta de infiltración a utilizar en el proyecto de alcantarillado, a menudo están relacionadas con las

dimensiones de las zonas servida, tal como se muestra en la figura 9-15.

En ausencia de mediciones específicas, usaremos la curva A para zonas con alcantarillas antiguas y la curva B se refiere a zonas con cualquier tipo de alcantarillas, ya sean nuevas o antiguas.

La elección entre las curvas A y B, para alcantarillas antiguas depende de las condiciones actuales y futuras de la red de alcantarillado, de la profundidad del nivel freático y del método de construcción de las juntas. Por ejemplo, si se sabe que las juntas del alcantarillado están realizadas con mortero de cemento y se detecta una capa freática alta, debería usarse la curva A o incluso valores superiores a ella.

En el caso de que se disponga de curvas de caudales medios de infiltración, justificadas por mediciones significativas, la magnitud de la infiltración de punta puede obtenerse multiplicando los valores medios por un coeficiente entre 1,5 y 2,0.

Factores de punta para conexiones incontroladas Los caudales de punta las conexiones incontroladas deberían basarse, en lo posible, en el análisis de aforos realizados

en alcantarillas. A pesar de que las nuevas alcantarillas debidamente proyectadas y ejecutadas deberían estar exentas de caudales

asociados a lluvias, eventualmente pueden presentarse puntos de entrada como consecuencia del mal ajuste de tapas de bocas de registro, conexiones erróneas, etc. Sin embargo, la adopción de tasas conservadoras es normalmente suficiente para cubrir estos posibles ingresos de caudales incontrolados. Como ejemplo, el uso de tapas perforadas para las bocas de registro exige tener en cuenta un caudal incontrolado adicional. El caudal que puede pasar a través de una tapa de registro sumergida bajo 25 cm de agua puede variar entre 75 y 275 l/min, dependiendo de la cantidad y tamaño de las perforaciones de la misma.

Figura 9-14 Factor de punta de agua residual doméstica

Figura 9-15 Factor de punta de agua de infiltración



Medición de caudales La posibilidad de medir los caudales de agua residual es de fundamental importancia a la hora de proyectar los sistemas

de saneamiento. Los dos métodos principales de medición de caudales son: De descarga directa De velocidad-área

Los métodos de descarga directa son aquellos en que la magnitud de la descarga es función de una o dos variables fácilmente medibles. En los casos en que se vaya a realizar varias determinaciones de caudales, vale la pena construir curvas de calibración para simplificar el trabajo. Los principales métodos y aplicaciones se describen en la tabla 9-16.

Tabla 9-16 Métodos de descarga directa para la medición de caudales Método / Aparato Descripción / Aplicación Tubo de California En este método se relaciona el caudal con el calado del flujo a través del

extremo abierto de una tubería horizontal parcialmente llena que descarga libremente a la atmósfera. La tubería de descarga debe estar horizontal y tener una longitud de al menos seis diámetros de la tubería. Si se espera que tubería fluya casi llena, debe instalarse una ventosa aguas arriba de la entrada de la tubería pasa asegurar la libre circulación del aire en la porción no llena de la tubería de descarga

Cálculo Este método requiere la medida en el campo del calado del flujo y de la pendiente de la alcantarilla. También debe seleccionarse un valor del coeficiente de rugosidad. El método, en el mejor de los casos, es una aproximación dependiente de la continuidad del flujo en el momento de la observación y de la precisión con que se adopte el coeficiente de rugosidad en las condiciones existentes. Este método se basa, asimismo, en el supuesto de que el flujo se produce con un calado normal. A pesar de estas limitaciones, este método es utilizado a menudo para efectuar mediciones del caudal de agua residual

Peso directo En este método, que se utiliza para medir pequeños caudales, la masa del flujo descargado en un período especificado de tiempo es pesada y convertida a caudal utilizando el peso específico del fluido

Toberas de flujo Los medidores de caudal con toberas hacen uso del principio de Venturi, pero utilizan una tobera que inserta en la tubería en vez del tubo de Venturi para producir la presión diferencial. La forma de la tobera, el método de inserción en la tubería, y el método de medida de la diferencia de presión, varían con el fabricante. Las toberas de flujo abiertas unidas al final de la tubería suelen ser, normalmente, del tipo Kennison, mostrado en la figura 9-17 b. Dado que las toberas situadas al final de las tuberías son esencialmente vertederos proporcionales, solamente se necesita una conexión a presión para medir la carga

Medidores magnéticos Cuando un conductor eléctrico pasa a través de un campo electromagnético, se induce en aquél una fuerza electromotriz o voltaje que es proporcional a la velocidad del conductor. Este enunciado de la ley de Faraday es la base para el diseño de medidores electromagnéticos de flujo, como el indicado en la figura 9-17 d. El liquido que recircula por la tubería, generalmente agua o agua residual, sirve como conductor. El campo electromagnético es generado colocando bobinas alrededor de la tubería. El voltaje inducido es entonces medido por electrodos colocados a ambos lados de la tubería. En aquellos casos en que el material de la tubería sea conductor no es preciso que los electrodos atraviesen la pared de aquella, cosa que es necesaria cuando el material no es conductor y se precisa que los electrodos entren en contacto directo con el líquido que fluye. Los medidores magnéticos de caudal que suelen encontrarse disponibles en el mercado son adecuados generalmente para tamaños de tubería variables entre 50 y 900 mm de diámetro; los tamaños mayores requieren encargarlos especialmente

Orificio Un orificio es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el líquido. El orificio normalizado, como se define generalmente, es aquel en que el borde del orificio que determina el chorro es tal que este chorro en su salida no toca de nuevo la pared del orificio. En la práctica ello puede conseguirse biselando el borde del orificio. El caudal se determina utilizando el teorema de Torricelli.

Placa de orificio Se inserta en una conducción cerrada una placa que tiene una abertura cilíndrica en el centro. El caudal se determina a partir de las lecturas de las presiones diferenciales

Medidores sónicos Se utilizan para la medición de caudales en tuberías. Existen dos tipos básicos de medidores, el primero de ellos utiliza dos transductores montados en ángulo respecto a la corriente y situados en las caras opuestas de la tubería. Cada tipo emplea un principio sónico diferente para la medida del caudal; generalmente, ambos tienen el mismo tamaño que la tubería por lo que no introducen pérdidas de carga adicionales en el sistema. En varios casos se han adaptado medidores de nivel sónico para su utilización en canales de aforo Venturi y en vertederos para medir el nivel de la lámina de agua y, por tanto, el caudal



Trazadores químicos y radiactivos

En el calibrado químico o radiactivo se hace una adición continua de una sustancia química o radiactiva de concentración conocida, a caudal constante, a la corriente cuya descarga se quiere determinar. A una distancia aguas abajo suficiente para asegurar una mezcla completa del trazador con la corriente, se toman muestras de ésta y se determina la concentración de la sustancia vertida. El caudal en la corriente puede determinarse entonces utilizando un balance de masas

Canales de aforo Venturi Los canales de aforo Venturi utilizan el principio del calado crítico para medir caudales en canales. Los dos mejores tipos conocidos son los canales de aforo Parshall y Palmes-Bowlus. El canal de aforo Parshall, indicado en la figura 9-17 c, es generalmente fijo y se usa mucho para medir caudales en las plantas de tratamiento. El canal de aforo Palmer-Bowlus, es pequeño y móvil y se usa normalmente para medir caudales de agua residual en alcantarillas.

Tubos de Venturi El tubo de Venturi, indicado enla figura 9-17 a, que se utiliza para medir caudales en conducciones cerradas, consta de tres partes:

El cono de entrada, en el cual el diámetro de la tubería se reduce gradualmente

La garganta o sección contraída El cono de salida, en el cual del diámetro aumenta

gradualmente hasta el de la tubería en la que se inserta el medidor

La garganta en los tubos normalizados varía entre un quinto y tres cuartos del diámetro de la tubería y su longitud es aproximadamente igual al diámetro. Se inserta un piezómetro diferencial en la garganta y en la porción recta de entrada y la determinación de la cantidad de agua que fluye se basa en la diferencia de presiones indicadas entre la entrada y la garganta del medidor

Medida volumétrica Se mide el volumen de fluido descargado en un período especificado de tiempo. Generalmente ello puede hacerse solo con caudales muy bajos

Vertedero de pared delgada Un vertedero de pared delgada es una barrera, generalmente una placa de plástico o metal, sobre la cual se hace fluir el líquido que se quiere medir. Los tres tipos mas comúnmente utilizados son los vertederos rectangulares, triangulares y trapezoidales. El caudal se determina midiendo la carga en la cresta del vertedero. En vertederos rectangulares o trapezoidales, o sobre el vértice de la abertura del vertedero, en los vertederos triangulares. La carga es la diferencia de cotas entre la cresta t la superficie del agua en el canal en un punto aguas arriba tomado si ello es posible mas allá del comienzo de la superficie curva del líquido. El caudal se determina a partir de una curva de calibrado en la cual se representa gráficamente el caudal en relación con la carga observada.

En la figura 9-17 se muestran algunos de los dispositivos empleados.

Figura 9-17 Medidores de caudal de descarga directa

a) Medidor Venturi b) Tobera de Kennison c) Canal Parshall d) Medidor Magnético



Utilizando el método velocidad-área, se determina el caudal multiplicando la velocidad del flujo (m/s) por la superficie de la sección recta (m2), a través de la que circula el caudal. Los principales métodos y aparatos utilizados para la obtención de las velocidades se resumen en la tabla 9-18

Tabla 9-18 Métodos para medir la velocidad Método / Aparato Descripción / Aplicación Molinetes Las mediciones con molinetes se usan para la determinación precisa de

la velocidad de flujo en grandes alcantarillas o canales, siempre y cuando no haya demasiados papeles u otras materias suspendidas que puedan obturar el medidor. Los aforos del flujo pueden realizarse siguiendo diversos métodos: el de un solo punto, el de dos puntos, el de puntos múltiples, el de integración por secciones y el de integración de una sola operación. En el método de un solo punto, se mantiene el medidor a una profundidad de 0,6 veces el calado de la corriente y en el centro de la misma. El resultado se supone indicativo de la velocidad media del flujo pero no deja de ser sino una aproximación general, adecuada solamente para observaciones rápidas que no pretenden ser exactas. En el método de dos puntos se observa la velocidad a 0,2 y 0,8 del calado de la corriente, tomándose el promedio de estos dos valores para presentar la velocidad media en la sección vertical. La corriente puede dividirse en varias secciones verticales y la velocidad media en cada una de ellas se determina aproximadamente por este método

Métodos eléctricos Los métodos eléctricos utilizados para medir el caudal de agua que fluye en una corriente suponen el uso de un equipo que incluyen pilas de conductividad, anemómetros de hilo caliente y anemómetros de película caliente. Aunque algunos de estos métodos se han utilizado en la práctica, no son del todo idóneos para efectuar mediciones de flujo de aguas residuales, ya que las materias suspendidas y en flotación que normalmente se encuentran en ella interfieren con la realización de las mediciones

Medidas con flotadores Las medidas de flujo con flotadores en alcantarillas son muy raramente realizadas, excepto en canales rectangulares o para la determinación aproximada de la velocidad del flujo entre dos bocas de registro; pero los flotadores son universalmente utilizados en estudios de corrientes de mareas o de aguas residuales en masas de agua en las que aquellas son vertidas. Se utilizan tres tipos de flotadores: superficial, sumergido y de varilla. Con los flotadores superficiales sólo pueden obtenerse velocidades en la superficie. Debido a los efectos perturbadores del viento, los resultados sólo pueden considerarse como aproximaciones Los flotadores sumergidos se componen de cuerpos relativamente grandes, algo mas pesados que el agua, conectados por alambres finos a flotadores superficiales de tamaño suficiente para proporcionar la flotación necesaria, que llevan marcadores mediante los cuales puede trazarse sus trayectorias. La resistencia del flotador superficial y del alambre de conexión es, por lo general, tan ligera que puede suponerse que ambos se desplazan con la velocidad del agua en la posición del flotador sumergido. Los flotadores de varilla se han utilizado para medir con mucha precisión el flujo en canales. Consisten, generalmente, en unos cilindros metálicos lastrados de tal manera que pueden flotar en posición vertical. Se ha comprobado que la velocidad de la varilla coincide, prácticamente, con la velocidad media del agua en la trayectoria seguida por el flotador.

Tubos de Pitot El tubo de Pitot, que a lo largo del tiempo ha resultado muy útil en aforos de tuberías de agua, no se aplica en aforos de alcantarillas debido a que la materia suspendida en el agua residual tiende a obturarlo.

Trazadores químicos y radiactivos

Cuando se trata de medidas de velocidad, se inyectan los trazadores químicos o radiactivos normalmente en la corriente en dos puntos de control, situados aguas arriba. El tiempo de recorrido del prisma de agua que contiene del trazador es anotado en estos dos puntos de control y se calcula la velocidad dividiendo la distancia entre los puntos de control y el tiempo de recorrido. Cuando se usa la sal como trazador, el tiempo de recorrido entre los puntos de control es medido con electrodos conectados a un amperímetro. Cuando se utilizan trazadores radiactivo, el tiempo de recorrido se registra mediante contadores de radiactividad colocados en el exterior del tubo. El tiempo de recorrido es la diferencia entre los tiempos medidos, cuando los registros máximos son contabilizados en cada estación de registro

Trazadores con colorantes El empleo de colorantes para medir la velocidad de flujo en las alcantarillas, especialmente en las tuberías pequeñas, es uno de los métodos utilizados más sencillos y de mayor éxito. Una vez elegida una sección de una alcantarilla en laque el flujo es prácticamente constante y uniforme, se inyecta el colorante en el extremo superior y se determina el tiempo de su llegada al extremo inferior. Si se usa un colorante de tipo brillante, como la cosina, y se suspende horizontalmente una placa brillante en el extremo inferior de la alcantarilla, el tiempo de aparición



y de desaparición del colorante en el extremo inferior puede observarse con notable precisión, pudiéndose tomar la medida entre estos dos tiempos observados como representativa del tiempo medio de flujo. Otros colorantes que han sido utilizados con éxito son la fluoresceína, el rojo Congo, permanganato potásico, sodamina B y pontacil rosa brillante B, el cual es especialmente útil en los estudios de dispersión en el mar

Datos requeridos para la preparación del proyecto El proyecto de una red de alcantarillado debe tener en cuenta los siguientes pasos:

Recopilar la información básica Revisar los condicionantes del proyecto y seleccionar las bases de diseño Proyectar las alcantarillas, lo que implica la selección del trazado de la red y dimensionamiento de las cañerías Ejecutar los planos y redactar los pliegos de condiciones del proyecto

Para llevar a cabo estos trabajos se requiere una dosis importante de conocimiento y experiencia que trataremos de explicitar a continuación

Recopilación de la información básica Es aconsejable efectuar un estudio, lo mas completo posible, de la zona en cuestión, no solo para obtener los datos

necesarios para el proyecto y posterior construcción, sino también para tener un conocimiento de las condiciones locales, antes de iniciar la fase de construcción.

Al comienzo de los trabajos deben conseguirse todos los mapas y planos de la zona en estudio. Normalmente, esta información está disponible en las oficinas municipales, organismos regionales de planificación y otros departamentos similares.

Si no se dispone de planos adecuados, será preciso proceder a su realización. El grado de precisión requerido depende de las características del proyecto. Los trabajos topográficos deben incluir la situación de las calles, líneas de ferrocarril, parques públicos, estanques, ríos, desagües o drenajes y todo otro detalle que pueda influir o quedar afectados por red de alcantarillado. Hay que tener presente e indicar los límites de las propiedades existentes dentro del área del proyecto, para poder diferenciar los público de lo privado.

Deberá establecerse un sistema preciso, completo y permanente de niveles de referencia en toda la zona servida por la red de alcantarillado. De igual forma, deberán dejarse hitos de referencia en cada manzana de aquellas calles por las que vayan a situarse las alcantarillas y en donde se hayan de obtener, posteriormente detalles topográficos. A continuación se levantarán los perfiles longitudinales de todas las calles existentes y si las pendientes existentes y las establecidas fueran diferentes, será necesario obtener mayor información sobre estas últimas.

En ciertos casos, se deberán tener en cuenta las zonas adyacentes a la del estudio, en las que se habrá de construir la red de alcantarillado en el futuro. Otras veces será necesario hacer un relevamiento para obtener un plano de curvas de nivel de separación variable según la configuración del terreno. Por lo general, es suficiente con disponer de las cotas de superficie, los puntos altos y bajos y de los cambios de dirección, razón por la que no siempre es necesario disponer de curvas de nivel. Las cotas de los lechos de arroyos, acequias, canales y alcantarillas existentes, deben ser comprobadas y se determinarán los niveles de agua normal y el máximo esperado.

La información sobre las estructuras e instalaciones existentes deberá incluir: Cota de los ingresos de las edificaciones Profundidad de sus cimientos Tipo, edad y estado de pavimentos de las calles en las que se vaya a construir las alcantarillas Situación de las conducciones de agua, gas, electricidad y otros servicios subterráneos

Cuando no se disponga de información suficiente sobre instalaciones subterráneas existentes, es recomendable la ejecución de catas o excavaciones de exploración en la cantidad y profundidad necesarias.

Se recopilarán los datos disponibles sobre lluvias y escorrentías locales, y cuando la información nos sea suficiente, será preciso hacer medidas in situ cuando ello sea posible. Deberá recogerse la información que obre en poder de constructores y contratistas relativas a la situación de la capa freática y, en la existencia de puntos bajos o depresiones del terreno es recomendable excavar catas o hacer algún sondeo para conocer las características de la capa freática.

Es importante tener un conocimiento lo mas completo posible de las características del suelo en el que se van a construir las alcantarillas, a fin de poder estimar los costos de construcción con un grado de aproximación suficiente. Para ello, debe hacerse una campaña de exploración con sondeos, obtención de muestras y ensayos con penetrómetos a intervalos de 1,5 m y en cada cambio del tipo de suelo. Los sondeos deben hacerse hasta profundidades del orden de 1,5 m por debajo del fondo estimado de las excavaciones o hasta que se produzca el rechazo cuando se empleen medios de perforación convencionales, de manera que estos no puedan seguir penetrando en el suelo.

El rechazo no significa forzosamente que se ha llegado al estrato de roca. En consecuencia, en estos puntos se requiere, a menudo, el empleo de equipos de perforación mas potentes a fin de averiguar si efectivamente se ha llegado hasta la roca, se trata de rocas sueltas o de un suelo muy compacto. Cuando se haya de construir estructuras tales como estaciones de bombeo o cámaras de unión de alcantarillas de grandes dimensiones, la perforación adicional deberá ser llevada a cabo en todos los casos en que se alcance el rechazo con los equipos convencionales. Debe prestarse especial atención a la elección de la situación y el



número de sondeos a efectuar en aquellas zonas en donde `puede haber problemas constructivos tales como cruces de ríos, de ferrocarril o carreteros, excavaciones profundas o puntos con capa freática alta y donde las zanjas y excavaciones estén próximas a otras estructuras existentes.

La preparación de planos y perfiles preliminares deberá comenzar tan pronto como sea posible durante la ejecución de los trabajos de campo, de modo que puedan comenzarse los estudios previos antes de que aquellos hayan terminado. Por regla general los planos a escala 1:2500 son suficientes para mostrar los datos al nivel de detalle necesario para el anteproyecto, pero cuando existan muchas estructuras subterráneas, se puede precisar escalas de 1:500 o menores. En los perfiles longitudinales deben señalarse las cotas de los ejes de las calles a distancias de 15 m aproximadamente y en todos los puntos en que haya cambios bruscos de la pendiente. Las curvas de nivel, cuando estén disponibles, deberán representarse con separaciones de 0,5 m. Deberán señalarse los puntos altos de las calles y los puntos bajos o depresiones, dando su cotas al centímetro.

Los planos a usar en informes de planificación o de viabilidad se derivan de los del anteproyecto y, generalmente. Se preparan a escalas de 1:1000 a 1:20000. Los perfiles a incluir en estos informes se suelen preparar a escalas tan pequeñas como sea posible que permitan mostrar la información pertinente.

Consideraciones básicas del proyecto El proyecto de una red de alcantarillado sanitario implica:

La estimación de los caudales de agua residual del proyecto y la evaluación de las condiciones locales que puedan influir sobre el funcionamiento hidráulico de la red.

La selección de la formula a utilizarse en el dimensionamiento de los materiales a emplear en las alcantarillas, de los tamaños mínimos de las mismas, de las velocidades máximas y mínimas permitidas y de las pendientes mínimas utilizadas.

La evaluación de trazados alternativos La evaluación del empleo de alcantarillas con trazados en curva La selección de las instalaciones complementarias adecuadas

En la mayoría de los casos, el caudal total de aguas residuales está formado por tres componentes, el agua residual de procedencia residencial, comercial e institucional, el agua residual de origen industrial e infiltraciones. En consecuencia, las alcantarillas de nueva construcción se proyectan para los caudales estimados en el futuro que se indican a continuación:

Caudal de punta de las aguas residuales de origen doméstico, comercial, institucional e industrial generadas en la totalidad de la zona a servir.

Máximo caudal de infiltración para la totalidad de la zona La fórmula de Manning es la mas utilizada en el dimensionamiento de las alcantarillas. Se recomienda emplear un valor

de n = 0,013 en la comprobación de la capacidad de alcantarillas existentes bien construidas y en las de nueva construcción y el valor de n = 0,015 para comprobar el resto de las alcantarillas existentes. Deberán utilizarse valores superiores de n en alcantarillas ya construidas, si, a través de los datos disponibles, se observa que se encuentran en mal estado, o si se detectan desviaciones en las alineaciones y pendientes, variaciones de las dimensiones interiores, existencia de depósitos o construcción de baja calidad.

El valor de n = 0,013 para las alcantarillas existentes bien construidas y para las nuevas se basa en el uso de conductos cuyas longitudes no sean inferiores a 1,5 m con superficies interiores verdaderamente lisas y en el supuesto de que los sistemas constructivos son de gran calidad.

Algunas cañerías de material plástico son inicialmente mas lisas y mantienen su condiciones originales durante mas tiempo que las construidas con materiales tradicionales. Sus longitudes de fabricación son superiores a las de las cañerías tradicionales, de cemento o gres. En consecuencia algunos fabricantes indican que puede utilizarse un n entre 0,011 y 0,010, sin embargo, el número de conexiones, bocas de registro y otras instalaciones complementarias que perturban el flujo permanecen invariables, independientes del material del conducto. Por esta razón, y teniendo en cuenta el grado de incertidumbre inherente al proyecto y construcción, el valor de n a adoptar no debe ser inferior a 0,013.

Los materiales mas empleados en las alcantarillas son el fibrocemento, hormigón armado, hormigón pretensado, PVC y gres. Otros materiales utilizados pueden ser acero y varios plásticos con o sin refuerzo de fibra de vidrio.

La adopción de un diámetro mínimo es necesario debido a que, en ocasiones, se introducen en las alcantarillas objetos cuyo tamaño pueden llegar a obstruirlas. Evidentemente las alcantarillas mas pequeñas debe ser mayor que las conexiones domiciliarias, por lo que el diámetro mínimo es de 150 mm.

Si el agua residual circula por las alcantarillas a baja velocidad durante períodos de tiempo prolongados, se producirá una sedimentación de los sólidos en aquellas. Debe procurarse que haya velocidad suficiente durante bastantes horas al día de manera que los sólidos depositados en períodos de baja velocidad puedan ser arrastrados. La práctica normal es proyectar las alcantarillas con pendientes tales que aseguren velocidades mínimas de 0,6 m/s cuando el flujo se produce a sección llena o semillena. Las numerosas experiencias realizadas permiten determinar que una velocidad media de 0,3 m/s es suficiente para evitar depósitos importantes de sólidos.

De todas maneras, es aconsejable usar siempre una pendiente que, en todos los casos del lugar a velocidades de autolimpieza.

Para conocer la velocidad de autolimpieza uso la fórmula de Manning:

1 δS – δL 1/2 Vautolim = — RH

1/6 ———— d K n δL



Donde: n = coeficiente de Manning RH = radio hidráulico δS = peso específico de sólidos δL = peso específico del líquido d = diámetro de la partícula K = coeficiente que depende de la forma de la partícula

Si tenemos en cuenta los valores siguientes:

δS = 1,200 kg/l δL = 1,000 kg/l d = 0,75 mm K = 0,8

Resulta entonces:

Si tenemos en cuenta los siguientes valores de n:

Para caños lisos = 0,010 Para caños rugosos = 0,013

Entonces para conductos circulares trabajando a sección llena será:

Para n = 0,013 tendremos:

Diámetro Vautolim 150 0,49 200 0,51 250 0,53 300 0,55

La acción erosiva de la materia en suspensión del agua residual depende, no solo de la velocidad a que es arrastrada a lo

largo del alcantarillado, sino también de su naturaleza. Puesto que esta acción erosiva es el factor mas importante a los efectos de la determinación de la velocidad máxima de las aguas residuales, se debe prestar atención a la naturaleza de la materia en suspensión. En general, las velocidades máximas están dentro del rango de 3,0 a 3,6 m/s.

En cuanto a las pendientes de las alcantarillas, es conveniente que tengan pendientes suaves para evitar tener que hacer grandes excavaciones en zonas en que el terreno es llano o las variaciones de cotas del mismo son pequeñas. En tales casos las pendientes y secciones de las alcantarillas deben proyectarse de modo que las velocidades se mantengan los mas constantes posibles para evitar la decantación de los sólidos en el recorrido de las mismas.

Es importante tener en cuenta que la pendiente adoptada permita obtener la velocidad de autolimpieza en todo el recorrido de las alcantarillas, tal como se indica en las siguientes formulaciones:

Donde: δS = peso específico de sólidos δL = peso específico del líquido d = diámetro de la partícula k = coeficiente que depende de la forma de la partícula RH = radio hidráulico

Para los líquidos cloacales los valores típicos son: δS = 1,200 kg/l δL = 1,000 kg/l d = 0,75 mm K = 0,8

1 Vautolim = —— RH

1/6 * 0,011 n

Vautolim = 0,6717 D 1/6

δS – δL 1 iautolim = ———— d k —— δL RH



La pendiente mínima, a partir de la cual se produce el arrastre de los sólidos será: Se lo multiplica por 10–3 para expresarlo en tanto por mil.

Para un conducto circular trabajando a sección llena el radio hidráulico es:

Para conductos circulares la pendiente de autolimpieza a sección llena es:

Diámetro i 150 0,32 % 200 0,24 % 250 0,19% 300 0,16 %

El tema de la pendiente mínima es muy importante pues en alcantarillas dispuestas con poca pendiente y de gran

longitud puede producirse una acumulación de sulfuro de hidrógeno cuyos efectos ya vimos anteriormente. Es importante poder contar con trazados y soluciones alternativas, para poder elegir o fundamentar la que mejor se

adapte a la zona a servir, tanto técnica como económicamente. Algunas soluciones pueden incluir alcantarillas de trazado de curvo. Tradicionalmente, las alcantarillas se construyen en

tramos rectos entre bocas de registro, de manera que el personal de mantenimiento pueda inspeccionar y limpiar aquellas de la forma mas sencilla. Asimismo, el tramo recto ha sido considerado como condición necesaria para mantener las características deseadas del flujo. No obstante, el trazado curvo en aquellas calles cuyo trazado es curvo, permite la construcción si salirse de la zona de dominio público, tener menos interferencia con otros servicios y reducir el número de bocas de registro.

Algunas desventajas asociadas al trazado curvo son que no se puede utilizar el equipo laser, para controlar la alineación y la pendiente durante la construcción de la alcantarillas y si las curvas son muy pronunciadas, son difíciles de inspeccionar mediante cámaras de televisión y las pérdidas no pueden localizarse usualmente, excepto en la proximidad de las bocas de registro.

Las principales instalaciones complementarias de las redes de alcantarillado son las bocas de registro, pozos con caída incorporada, acometidas para desagües de edificios, y cámaras de conexión. Además, según sea la topografía del lugar son necesarias otras estructuras tales como estaciones de bombeo. Mas adelante estudiaremos en detalle estas instalaciones por lo que a continuación veremos algunas consideraciones sobre las bocas de registro.

En alcantarillas de diámetro hasta 1.200 mm, las bocas de registro deben ubicarse en los puntos en que se produzcan cambios de sección, pendiente o dirección. En las alcantarillas de mayor diámetro, dichos cambios pueden realizarse sin necesidad de construir una boca de registro. Siempre que sea posible se evitarán las caídas verticales del agua residual para reducir al mínimo las salpicaduras. Cuando sean necesarias, deberán hacerse pozos de caída u otros métodos para conducir las aguas residuales a la cota inferior.

El número de bocas de registro debe ser suficiente para que las alcantarillas puedan ser inspeccionadas y mantenidas con facilidad

Cuando se construyeron las primeras redes de alcantarillado, se prestó mucha atención a la ventilación de las mismas, habiéndose desarrollado una serie de teorías sobre la manera de resolver el problema. Hubo una época en que se pensó que las alcantarillas debía ventilarse por las bocas de registro para evitar la acumulación de gases y su ingreso a la viviendas, que podía poner en peligro la salud de sus moradores. Sin embargo, la necesidad real de ventilación reside en el peligro de asfixia de los operadores de la red, en la posibilidad de que se produzcan explosiones y en el desprendimientos de malos olores según ya vimos anteriormente.

Materiales, ubicación, diámetros y tapadas de cañerías Trataremos aquí los aspectos constructivos de las redes de alcantarillado y comenzaremos con las siguientes

definiciones: Conexión domiciliaria: las conexiones domiciliarias se realizan con ramales a 45 º con el alcantarillado. En

general las conexiones son de diámetro 100 mm y excepcionalmente de 150 mm. Colectoras: es la cañería encargada de recibir las conexiones domiciliarias. Su diámetro mínimo es de 150 mm

y pueden recibir las conexiones domiciliarias con un diámetro máximo de 300 mm. Si la colectora supera dicho diámetro, al no poder recibir conexiones domiciliarias, de deberá colocar paralelamente una cañería

1 iautolim = 0,12 x 10-3 —— RH

D RH = —— 4

1 iautolim = 0,48 x 10-3 —— D



subsidiaria de diámetro mínimo, para recibir las mismas. Dicha cañería se conecta a la colectora en las bocas de registro. Además hay que tener en cuenta que las colectoras no admiten conexiones domiciliarias cuando la tapada supera los 3 metros, independientemente del diámetro de la mismas, por lo que en estos casos hay que proceder de la misma manera que en el caso anterior.

Colector principal: son las cañerías que no reciben conexiones domiciliarias, pero sí el aporte de caudales de otras cañerías de menor diámetro, en las bocas de registro ubicadas a lo largo de su desarrollo. Su diámetro mínimo es de 300 mm.

Cloaca máxima: es el conducto de diámetro mayor del sistema. Permite vincular la red de colectoras y colectores con la planta de tratamiento o, si esta no existe, con el lugar de disposición final. No recibe conexiones domiciliarias, ni aportes de colectoras, solamente descargan en ella los colectores principales.

Bocas de registro: funcionalmente sirven para acceder a la cañería, permitiendo realizar tareas de inspección, mantenimiento o desobstrucción. Se colocan en las bocacalles, ya sea en la calzada, cuando se proyecta una sola colectora o en vereda, cuando se emplee doble colectora. La distancia mínima entre bocas de registro, para cañerías de hasta 600 mm de diámetro es de 120 a 130 metros. En caso de diámetros superiores estas distancias pueden ser mayores. Las bocas de registro permiten realizar los cambios de dirección, pendiente, diámetro e intersección de cañerías entre sí.

Ubicación y tapadas mínimas Las cañerías de los alcantarillados se ubican en general en las calzadas, ya que de esta manera queda equidistante de las

líneas de edificación, facilitando la realización de las conexiones domiciliarias. Sin embargo cuando el ancho de la calle es importante, por ejemplo, avenidas de doble mano, pueden ubicarse en la

calzada junto al cordón o mejor en la vereda. Puede ocurrir también que existan instalaciones situadas en la calzada que impidan no solo la construcción del

alcantarillado en la misma, sino que dificulten las conexiones domiciliarias, en tales casos se pueden construir dos tendidos que estén ubicadas por las veredas.

Estos casos sirven como ejemplo de que deben tenerse en cuenta las condiciones particulares de cada proyecto y diseñarlo de la forma que mejor se adapte a dichas condiciones, y de la forma más económica posible.

Una vez definida la ubicación de las alcantarillas debemos definir cual es la profundidad o tapada mínima que deben tener las mismas.

Definimos como tapada mínima a la distancia que va desde el nivel del terreno, vereda o calzada al extradós de la alcantarilla.

Las tapadas mínimas deben proteger la cañería de sobrecargas producidas por la circulación o depósito de diversos elementos sobre la ubicación de las alcantarillas.

De acuerdo a lo visto hasta aquí, las tapadas mínimas son función de la ubicación de las cañerías como se indica en la tabla 9-19.

Tabla 9-19 Tapadas mínimas Ubicación Tapada mínima Calzada 1,20 m Vereda 0,80 m

Materiales En esta sección vamos a estudiar los tipos de materiales que se usaron y se usan algunas en la actualidad. La necesidad de conocer los materiales usados antes se debe a que podemos tener que reparar, reformar o conectarnos a

redes de alcantarillados existentes. Si bien se pueden utilizar los mismos materiales que los vistos para las redes de distribución de agua, por lo general se

usan materiales mas económicos como gres, hormigón o plástico. Solo se utilizan materiales como fundición, acero, fibrocemento o plásticos especiales, cuando se proyecten alcantarillados en las que las aguas residuales son impulsadas por bombeo a presión.

Cañerías de gres Estas cañerías se confeccionaban con arcilla molida mezclada con agua, conformada en moldes, secado en los mismos y

finalmente cocida en un horno a alta temperatura, poco antes de terminar el tiempo de cocción se añade sal común al horno, que debido a la alta temperatura, se vaporiza, reaccionando con la arcilla, de modo que se forma sobre ella una capa dura e impermeable. El calor produce también una fusión o vitrificación de la arcilla que se vuelve muy densa y pétrea. La cañería de arcilla vitrificada no está sujeta a corrosión de origen mineral o bacteriano, tal cual se produce normalmente en los alcantarillados.

En la tabla 9-20 se indican las dimensiones de las cañerías de gres. Los accesorios para este tipo de cañerías se indican en la figura 9-21. Las piezas en Y y en T se emplean para unir las

alcantarillas con las conexiones domiciliarias. Cuando no es posible utilizar las piezas especiales, se abren agujeros en las alcantarillas y se hacen las uniones con mortero de cemento u hormigón en la cantidad suficiente para evitar los punto débiles y las posibles pérdidas.



Tabla 9-20 Diámetros y longitudes de cañerías de gres Diámetros (mm) Longitud (m)

100 0,61 150 0,61 200 0,61 250 0,61 305 0,61 380 0,91 460 0,91 530 0,91 610 0,91 690 0,91 760 0,91 840 0,91 990 1,52

1070 1,52

Figura 9-21 Piezas especiales de gres



En la figura 9-22 se muestran las características de los métodos de colocación de las cañerías de gres.

El sistema de colocación de las cañerías es de gran importancia para asegurarnos que la misma esté bien puesta y para prevenir asentamientos posteriores. En zonas donde el suelo sea de baja calidad, por ejemplo, turbas, suelos muy arcillosos, etc., el sistema de asiento es crítico y puede llegar a ser necesario disponer de pilotes para evitar asentamientos excesivos que dañen las conducciones.

Cañerías de hormigón de masa Las cañerías de hormigón de masa, también denominadas de hormigón centrifugado, pueden utilizarse en los

alcantarillas, en aquellos casos en que las pendientes, temperaturas o características del agua residual no favorezcan la producción de los fenómenos de corrosión ya vistos.

En la tabla 9-23 se indican las dimensiones y clases de cañerías.

Tabla 9-23 Diámetros y espesores de cañerías de hormigón de masa Diámetro (mm) Espesor Clase 1 (mm) Espesor Clase 2 (mm) Espesor Clase 3 (mm)

100 15,9 19,0 22,2 150 15,9 19,0 35,0 200 19,0 22,2 28,6 250 22,2 25,4 31,8 310 25,4 34,9 44,5 380 31,8 41,3 47,6 460 38,1 50,8 57,2 530 44,5 57,2 69,9 610 54,0 76,2 95,3

En la figura 9-24 se observan los distintos tipos de juntas a utilizarse. En la figura 9-25 se muestran los sistemas de asiento para las distintas clases de cañerías.

Figura 9-22 Sistemas de colocación de cañerías de gres



Cañerías de hormigón armado Las cañerías de hormigón se fabrican en tamaños comprendidos entre 310 y 4570 mm, tal como se indica en la tabla 9-

26.

Tabla 9-26 Diámetros y espesores de cañerías de hormigón armado Diámetro (mm) Espesor Pared A (mm) Espesor Pared B (mm) Espesor Pared C (mm)

310 44 51 - 380 47 57 - 460 51 63 - 530 57 70 - 610 63 76 95 690 66 83 101 760 70 89 108 840 73 95 114 910 76 101 120

1070 89 114 130 1220 101 127 146 1370 114 140 159 1520 127 152 171 1680 140 165 184 1830 152 178 197

Figura 9-24 Juntas de cañerías de hormigón de masa

Figura 9-25 Sistemas de colocación de cañerías de hormigón



1980 165 190 209 2130 178 203 222 2290 190 216 235 2440 203 229 248 2590 216 241 260 2740 229 254 273 2900 241 - - 3050 254 - - 3200 267 - - 3350 279 - - 3500 292 - - 3650 305 - - 3800 318 - - 3960 330 - - 4110 343 - - 4270 356 - - 4420 368 - - 4570 381 - -

Las juntas o uniones son de tipo enchufe y espiga, y las juntas se realizan con mortero de cemento o bien por medio de

juntas mecánicas o de aro de coma como las indicadas en la figura 9-27.

Con las cañerías de hormigón armado no suelen emplearse piezas especiales. Para grandes diámetros, las curvas se ejecutan abriendo ligeramente las juntas y rellenando el espacio resultante con hormigón in situ. Las conexiones se realizan por corte y formación de agujero y unión con morteros de ambas alcantarillas.

Cuando se usan cañerías de hormigón armado para el transporte de aguas residuales, hay que tener en cuenta que el material está sujeto a la corrosión de la misma manera que el hormigón de masa. Las alcantarillas de gran diámetro deben recubrirse internamente con materiales resistentes a la corrosión.

Cañerías de fibrocemento Las cañerías de fibrocemento se fabrican en los tamaños indicados en la tabla 9-28.

Figura 9-27 Juntas de cañerías de hormigón armado



Las juntas se hacen con enchufe y espiga con aro de goma. Existen piezas especiales tales como ramales a 45º y curvas a 45º y 90 º.

Las cañerías de fibrocemento está expuesta a los mismos mecanismos de corrosión comunes a las alcantarillas de hormigón.

Tabla 9-28 Diámetros y espesores de cañería de fibrocemento

Diámetro (mm) Espesor (mm) 100 9 150 10 200 11 250 12 300 14 350 16 400 18 450 20 500 22 600 24

Cañerías de poliéster y fibra de vidrio Se fabrican en los diámetros que se indican en la tabla 9-29 con una longitud estándar de 14 metros.

Tabla 9-29 Diámetros de cañerías de poliéster y fibra de vidrio Diámetro (mm) Peso Rigidez 2500 (Kg/m) Peso Rigidez 5000 (Kg/m)

300 8 10 350 11 14 400 15 18 450 19 23 500 23 28 600 31 39 700 42 53 800 55 68 900 69 87 1000 85 107 1100 103 128 1200 122 152 1300 143 179 1400 166 207 1500 189 238 1600 215 269 1700 245 305 1800 272 340 1900 304 379 2000 335 418 2200 406 458 2400 481 --

Las uniones se realizan mediante un aro rígido con anillos de goma tal como se aprecia en la figura 9-30.

Figura 9-30 Aros de uniones para cañerías de poliéster



Esta uniones permiten cambios de dirección como se indica en la figura 9-31 y en la tabla 9-32 se indican las desviaciones máximas que permite la unión.

Tabla 9-32 Máxima desviación para uniones de cañerías de poliéster Desviación según longitud de

cañería (mm) Radio de curva según longitud

de cañería (m) Diámetro

(mm) Angulo de desviación (grados) 3 m 6 m 12 m 3 m 6 m 12 m

500 3 157 314 628 57 115 229 600 a 900 2 105 209 419 86 172 344

1000 a 1800 1 52 105 209 172 344 688 1900 0,5 26 52 104 344 688 1376

Cañería de PVC Las cañerías de PVC se fabrican en los tamaños que se indican en la tabla 9-33.

Tabla 9-33 Diámetros de Cañerías de PVC Diámetro (mm) Espesor (mm) Longitud (m)

110 3,2 6 160 3,2 6 200 4,0 6 250 4,9 6 315 6,2 6 355 7,0 6 400 7,9 6 500 9,8 6 630 12,4 6

Las uniones son con enchufes con aros de goma y espiga. También existen cañerías de PVC de grandes diámetros construidas a partir de un perfil doble T, que se va enrollando

sobre un molde circular, lo cual da cañerías de 12 metros de longitud, muy livianas y flexibles, lo cual permite realizar curvas de gran diámetro.

Los diámetros se indican en la tabla 9-34.

Tabla 9-34 Diámetros de cañerías flexibles de PVC Diámetros (mm) Peso (kg/m)

400 5,40 500 6,75 600 8,10 700 15,00 800 16,60

1000 21,65 1200 27,00 1500 34,00 1600 36,20 1700 38,50 1800 40,80 2000 45,30

No hay piezas especiales para estas cañerías, pero como de grandes diámetros no pueden servir como colectoras

domiciliarias. Cañerías de polietileno Las cañerías de polietileno se fabrican en los diámetros que se indican en la tabla 9-35 con una longitud de 1 a 6 metros. Para hacerlos mas resistentes a las cargas mecánicas con un mismo espesor de pared, se fabrican con un perfilado como

se indica en la figura 9-36.

Figura 9-31 Desviación para cañerías de poliéster



Las cañerías pueden ser fabricadas con el tipo de unión de enchufe y espiga o a topa. Tabla 9-35 Diámetros y espesores de cañerías de polietileno

Diámetro (mm) Espesor (mm) 300 2,0 400 2,5 500 3,0 600 3,5 700 3,5 800 4,5 900 4,5

1.000 5,0 1.100 5,0 1.200 5,0 1.300 5,0 1.400 5,0 1.500 5,0 1.600 5,0 1.700 5,0 1.800 5,0 1.900 5,0 2.000 5,0 2.100 5,0 2.200 5,0 2.300 5,0 2.400 5,0 2.500 5,0 2.600 5,0 2.700 5,0 2.800 5,0 2.900 5,0 3.000 5,0

Las características del polietileno, permite uniones por soldadura denominada electrofusión en el cual las cañerías llevan un dispositivo de soldadura insertado en el enchufe tal como muestra la figura 9-37.

Para realizar la soldadura un dispositivo especifico entrega la cantidad de energía eléctrica necesaria y suficiente para realizar la soldadura.

Las otras posibilidades de unión que pueden solicitarse son:

Figura 9-36 Perfil de cañería de polietileno

Figura 9-37 Dispositivo de soldadura por electrofusión



Soldadura por extrusión sobre unión en V: ambas cañerías o accesorios son chanfleados, lo que produce un sello con aporte de material, tal como ser aprecia en la figura 9-38.

Soldadura por extrusión: las cañerías y accesorios son fabricados con el método de enchufe y espiga y de esta manera ambas piezas son unidas a través de una soldadura por extrusión con aporte de material. Esta soldadura puede realizarse tanto en interior como en el exterior o en ambos lados. Este sistema es aplicable a cañerías de conducciones sin presión. En la figura 9-39 se indica el tipo de unión.

Fusión a tope: las cañerías y accesorios son unidos a través de un equipo de fusión a tope como se indica en la figura 9-40. Este sistema es solo recomendable para cañerías con un espesor máximo de 150 mm y diámetro entre 300 y 2.500 mm.

Conexión bridada: los extremos de las cañerías y accesorios son unidos utilizando un brida de acero y sellos elastoméricos tal como indica en la figura 9-41. Este sistema es usualmente utilizado cuando se debe conectar y desconectar las cañerías.

Conexión elastomérica: esta unión unas enchufe y espiga, pero incluyendo un sello de goma que se inserta en el enchufe tal como se indica en la figura 9-42. Este sistema también es desmontable, pero con mayores dificultades que el anterior.

Figura 9-38 Soldadura por extrusión unión en V

Figura 9-39 Soldadura por extrusión

Figura 9-40 Soldadura por fusión a tope

Figura 9-41 Uniones bridadas



Cañerías construidas in situ

Cuando el tamaño de las alcantarillas excede del que puede prefabricarse, se emplean alcantarillas construidas in situ. Las alcantarillas de hormigón de gran tamaño pueden calcularse asimilándolas a anillos cerrados o arcos y aplicando las

técnicas de calculo de estructuras. La forma de la sección de la alcantarilla depende de factores hidráulicos, constructivos y del espacio disponible. La solera suele ser curva para concentrar los caudales bajos y poder mantener la velocidad de autolimpieza.

Figura 9-42 Uniones elastoméricas

Figura 9-42 Alcantarillas construidas in situ



En la figura 9-42 y 9-43 se muestran algunas secciones típicas.

Las alcantarillas deben proyectarse teniendo en cuenta la capacidad portante del suelo, realizando, de ser necesario fundaciones especiales, como por ejemplo pilotes.

El hormigón se suele colocar en dos o mas fases, por lo que es preciso disponer de juntas de trabajo estancas. Alcantarillas de hormigón Si la excavación está seca y el fondo es firme, se dará a este la forma exterior de la solera. En material blando debe

construirse un fondo plano o un apoyo que, en algunos, casos deberá soportarse sobre pilotes. Si la solera es prácticamente plana, se construye completamente en una sola operación en tramos de 5 a 6 metros. La parte de solera previamente construida sirve como encofrado en un extremo del tramo. Con una regla o plantilla, se da la forma de la solera al hormigón que se va colocando. En las uniones entre la solera y los hastiales se hacen unas llaves de hormigonado, así como en las uniones verticales de enlace entre dos tramos.

El encofrado de la bóveda lo soporta la solera, y consisten en unas nervaduras plegables o cimbras construidas en acero. La separación entre ellas se establece de acuerdo con la carga que deben soportar y están en contacto inmediato con las tablas machihembradas o los listones que sostienen el hormigón. También pueden usarse encofrados plegables totalmente metálicos. Si los lados de la excavación lo permiten, puede prescindirse del contraencofrado y la forma de la parte superior de la bóveda se da forma con una plantilla adaptada a la forma de la misma. Los encofrados, después de desarmados, pueden disponerse sobre una plataforma que se mueve sobre carriles colocados sobre la solera y armarse en los tramos siguientes. Las alcantarillas de dimensiones muy grandes se hormigonan, a veces, en tres etapas: la solera, los hastiales y finalmente la bóveda.

Las alcantarillas circulares se construyen generalmente en dos operaciones. Se coloca un encofrado abatible para toda la superficie interior, de manera que la mitad inferior del tubo pueda hormigonarse entre el encofrado y la excavación. Después que el hormigón ha fraguado, se coloca un encofrado exterior apoyado sobre las paredes de hormigón de la mitad inferior, hormigonándose por una abertura por encima del encofrado exterior y utilizando procesos de vibrado interiores y exteriores al encofrado. El trabajo se hace por tramos y se necesita disponer de cierres laterales del encofrado.

Los encofrados deben se siempre impermeables y ha de cuidarse de que estén limpios y engrasados antes de emplearlos. Es recomendable no desencofrar hasta que la alcantarilla esté cubierta con suelo hasta una altura mínima de 60 cm. La armadura debe colocarse cuidadosamente comprobando su recubrimiento o distancia del encofrado. Debe tenerse mucho

Figura 9-43 Alcantarillas construidas in situ (continuación)



cuidado a fin de que el hormigón se cuele perfectamente y que no presente oquedades ni vacíos, es decir que el interior sea lo mas uniforme posible.

En algunos casos las soleras suelen estar revestidas para evitar su erosión. Túneles Cuando la profundidad excede de 8 metros debe tomarse en consideración el costo relativo del túnel comparado con la

construcción ordinarias. Si el túnel es aconsejable o necesario, el método empleado dependerá del terreno. En roca sólida no será preciso disponer de puntales ni riostras; la excavación se realizará con barrenos, y la sección recta del tunes podrá ser de la misma forma que la parte exterior de la alcantarilla. Si la roca es estratificada puede ser necesario el arriostramiento. Los túneles en roca deben ventilarse cuidadosamente para eliminar humos y polvo producido al perforar los agujeros con los barrenos.

Si es probable que se produzcan hundimientos, será necesario entibar el túnel. Si el terreno se sostiene algún tiempo, se emplean marcos para sostener las tablas dispuestas en contacto con él. En terreno blando, los tablones se biselan en introducen en él cuando se excava. Cuando se sobrepasa el límite de seguridad de los tablones acodados sin marcos, se coloca otro y se hinca otra serie de tablas. Si el túnel es grande, se excava por partes, iniciándolo generalmente por la parte superior.

El hormigón se prepara siempre fuera del túnel y se transporta generalmente mediante bombeo. En general, todos los huecos entre la alcantarillas y las paredes de la excavación se rellenan con hormigón. Es necesarios disponer pozos de acceso al túnel, para extraer la tierra excavada e introducir los materiales.

Cuando el terreno el blando se utiliza frecuentemente el método del escudo, consistente en un cilindro de acero que tiene un borde cortante en el extremo anterior, Se impulsa hacia delante por medio de gatos hidráulicos apoyados en las paredes ya construidas de la alcantarilla o en las del túnel rígidamente entibado. La excavación se realiza en el borde delantero del escudo.

En terrenos húmedos se cierra el extremo posterior del escudo formando un cajón, y mediante aire comprimido se elimina el agua, lo que requiere disponer de una cámara auxiliar o esclusa de aire, por intermedio de la cual entran o salen del cajón los materiales y los operarios. Los operarios al salir deben permanecer en la esclusa durante algún tiempo, que depende de la presión del aire a que han estado sometidos durante el trabajo; durante este tiempo la presión va reduciéndose lentamente. Esta precaución es necesaria para evitar las enfermedades producidas por los cambios bruscos de presión.

Instalaciones complementarias Las redes de alcantarillado requieren una variedad de instalaciones complementarias para asegurar un funcionamiento

apropiado. Estas instalaciones incluyen bocas de registro, sifones invertidos, cámaras de descarga y estaciones de bombeo. Veremos a continuación las características principales de ellos, excepto las estaciones de bombeo que se estudiarán mas

adelante. Bocas de registro

Figura 9-44 Bocas de registro



Las bocas de registro se emplean como medio de acceso para la inspección y limpieza. Se colocan a intervalos de 90 a 150 metros y en los puntos donde se produzca un cambio de dirección o de sección de la cañería, o una considerable variación de pendiente.

Las grandes alcantarillas cuyo diámetro sea de 1,50 metros en adelante, son visitables, por lo que necesitan pocas bocas de registro.

La forma constructiva de las bocas de registro se ha normalizado considerablemente, tienen un marco y tapa de hierro fundido con una abertura neta de 50 a 60 cm. El marco descansa sobre una mampostería u hormigón que se ensancha hasta alcanzar un diámetro de no menos de 1 metros y generalmente de 1,25 metros a una distancia de 1 metro de la tapa, continuando con ese diámetro hasta que llega al alcantarillado.

El fondo de las bocas de registro se hacen de hormigón, dando a su cara superior una ligera pendiente hacia el canal o los canales abiertos que forman la continuación del alcantarillado, tal como se indica en la figura 9-44.

Los canales se recubren a veces con las cañerías del alcantarillado seccionadas por su diámetro. En todo caso, la profundidad del canal debe ser casi igual al diámetro de la cañería, para evitar que las aguas de la alcantarilla se extiendan sobre el fondo de la boca de registro, ya que si así ocurre, pueden quedar retenidas materias sólidas con probable producción de olores, a pesar de que la inclinación del fondo tiende a evitar este peligro.

En la figura 9-45 se observa una boca de registro construida en hormigón armado y en la figura 9-46 una construida en mampostería.

En el espaciamiento entre las bocas de registro se debe tener en cuenta las siguientes recomendaciones. En las alcantarillas de menos de 600 mm de diámetro, las bocas de registro deben situarse a intervalos no mayores de 100 m, si el diámetro está comprendido entre 700 y 1.200 mm, el intervalo máximo debe ser de 120 m, para diámetros mayores de 1.200 mm, las bocas de registro pueden situarse a intervalos mayores, dependiendo de las circunstancias locales, tales como desniveles de la superficie del terreno y la situación de las intersecciones de las calles. En cualquier caso, la distancia entre dos bocas de registro, no deberá exceder la longitud que pueda limpiarse con el equipo a utilizar por el servicio de alcantarillado local u organismos responsables del mantenimiento de la red de alcantarillado.

Los cambios de tamaño o forma de la sección transversal de la alcantarilla en una boca de registro producen perturbaciones en el flujo con la consiguiente pérdida de carga. Los cambios de sección realizados en transiciones graduales ayudan a reducir estas pérdidas, tal como se observa en la figura 9-47.

Figura 9-46 Boca de registro de mampostería

Figura 9-45 Boca de registro en hormigón armado



En las alcantarillas de hasta 600 mm, puede realizarse una curva a 90º en el interior de una boca de registro convencional. En alcantarillas de diámetro entre 600 y 1.200 mm, el cambio de dirección de 90º puede realizarse entre dos bocas de registro, cada una situada a luna distancia de al menos dos diámetros de la boca de registro desde el punto de intersección, con una alineación recta entre boca y boca, tal como se aprecia en la figura 9-48.

En la práctica es común construir una sola boca de registro, pero con las dimensiones necesarias en la base, para respetar las distancias y características recién vistas.

En alcantarillas mayores de 1.200 mm, las curvas se resuelven empleando tramos de cañerías biseladas, con piezas especiales o construidas in situ. El radio del eje de las curvas construidas in situ, puede variar entre cuatro y ocho veces el diámetro de la alcantarilla con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas de carga. El radio mínimo utilizado en la práctica para una alcantarilla construida con tramos de cañería biselada es de 15 m aproximadamente.

Figura 9-47 Cambio de sección en bocas de registro

Figura 9-48 Cambios de dirección con dos bocas de registro

Figura 9-49 Ventilación de cañerías en bocas de registro



Cuando la curva se realiza en el interior de una boca, es deseable compensar la pérdida de carga que se produce. Asimismo, cuando el trazado incluye cambios de dirección debe efectuarse la compensación de la pérdida de carga adicional requerida. Sin embargo, a causa de la naturaleza aproximada de los cálculos hidráulicos implicados en el proyecto de alcantarillado, raramente se incluyen estos refinamientos.

En las bocas de registro llegan también las alcantarillas, que si bien no descargan en la boca, sirven para ventilación de las mismas, según se observa en la figura 9-49.

Notar que la diferencia de notar entre cañerías es de por lo menos el diámetro de las mismas. Puede ocurrir, que debido a la gran pendiente del terreno o en los puntos en donde las alcantarillas deben unirse con

otras que están a mayor profundidad en la boca de registro debe realizarse una caída controlada de las aguas residuales tal como se observa en la figura 9-50.

Si bien en la bibliografía se indica como límite de caída libre de las aguas residuales a los 60 cm, en la Argentina se permite por reglamento hasta 2 metros.

Por último, los factores que deben tenerse en cuenta al elegir los marcos y tapas de las bocas de registro son: Seguridad, de modo que las tapas no se suelten Facilidad de reparación y sustitución, requeridas por el desgaste del tráfico Resistencia, suficiente para soportar el peso de vehículos pesados Que no sean ruidosas ni trepiden Costo Posibilidad de ajuste con el desgaste de los pavimentos para corregir las desigualdades Protección contra la entrada de aguas pluviales y cigarrillos encendidos que puedan caer a través de ellas Protección mediante dispositivos de cierre que eviten que pueda arrojarse basura a través de ellas.

La tapa será plana y se colocarán en la rasante de la calzada de forma que no interfiera con el tráfico, ni cause demasiado deterioro del pavimento. Las tapas deben ser normalizadas de modo que las que se pierdan por robo o rotura puedan ser sustituidas fácilmente. Además deberán tener una rugosidad o dibujo que evite que sean resbaladizas. Suelen ser circulares en la mayoría de los casos, debido a que son mas fuertes que las rectangulares y poseen la ventaja de que no pueden caerse dentro de la boca de registro.

Sifones invertidos En las redes de alcantarillado, se denominan sifones invertidos a los tramos de las alcantarillas que quedan por debajo

de la línea piezométrica para salvar un obstáculo, tal como un paso subterráneo, un desmonte ferroviario o un río. En estos casos, la cañería que se utilice ha de ser capaz de resistir la presión interior que se crea, siendo también importante para su establecimiento la velocidad del agua, la cual debe mantenerse tal alta como sea posible, con un mínimo de 0,90 m/seg. En los casos en que la carga disponible es suficiente para dar buenas velocidades, se han empleado cañerías únicas de 300 a 600 mm de diámetro, sin mayores dificultades. Cuando la altura disponible es reducida y el caudal desaguado por las alcantarillas muy variable, hacen que sea difícil conseguir un valor favorable para la velocidad, una cañería suficientemente grande para desaguar el caudal máximo haría que el movimiento del agua en la alcantarilla en los períodos de aguas bajas resultaría demasiado lento. Disponiendo de varias cañerías puede solucionarse, en gran parte, esta dificultad.

Figura 9-50 Boca de registro con caída controlada



En una alcantarilla unitaria, por ejemplo, puede disponerse de un tubo sifón invertido de tamaño suficiente para desaguar el caudal mínimo en tiempo seco con una determinada velocidad, un segundo tubo para evacuar la diferencia entre los caudales mínimo y máximo, y un tercero para conducir las aguas de lluvia si el sistema fuera mixto o unitario.

Los sifones invertidos se construyen con cañerías de los mismos materiales que el alcantarillado, con la precaución de que si se construyen con cañerías de hormigón o gres, deben envolverse en hormigón para evitar las fugas. En la figura 9-51 vemos un esquema de un sifón invertido.

Cámaras de descarga Antiguamente se construían cámaras de descargas automáticas, también denominadas tanques de inundación, en las

cabeceras de los ramales con poca pendiente o en aquellos con poco caudal de aguas residuales, pero actualmente se usan muy rara vez.

En la figura 9-52, se observa una de estas cámaras, que, como puede verse, se parece mucho a una boca de registro, pero está equipado con un sifón dispuesto en el fondo.

Mediante una toma de la red de suministro de agua, la cámara recibe un pequeño, pero constante caudal de agua, regulado de manera que el tanque se llene por lo menos una vez al día. Cuando está lleno, se ceba el sifón y se produce una brusca descarga del agua en la alcantarilla. El volumen usual es de unos 750 litros.

El sifón actúa de la siguiente manera, inmediatamente después que el depósito se ha vaciado a través del sifón, el nivel del agua en ambas ramas de la U es el mismo que el de la boca de salida A, y en el tanque queda a la altura del pequeño orificio de ventilación B. Cuando el tanque se llena, el agujero se cubre, y el agua sube por la campana C, comprimiendo el aire contenido en ella, con lo que baja el nivel del agua en la rama mayor de la U del sifón. Este proceso continúa hasta que el agua del depósito alcanza la altura máxima o nivel de descarga, y en el sifón el agua toma el nivel indicado en la figura 9-52. La entrada de un poco mas de agua en el depósito produce primeramente la compresión del aire contenido en la campana, lo que da lugar a que una parte de él escape por la boca A, con considerable violencia. Esta rápida disminución de la presión del aire da lugar a que el agua del tanque se precipite dentro de la campana y baje por el tubo, iniciando la descarga del sifón, que continúa hasta que el nivel del agua del depósito alcanza el orificio de ventilación. El aire a la presión atmosférica puede penetrar entonces en la campana anulando el efecto de vacío, con lo que se interrumpe la descarga del sifón, repitiéndose de nuevo el ciclo. El orificio de salida A debe quedar por encima del fondo de esta, pues en caso contrario el sifón no hará mas que gotear sin producir el vaciado del tanque. La obstrucción del agujero de ventilación producirá el mismo efecto. La disposición de un tubo aliviador, impide que una obstrucción del sifón de lugar a que la calle se inunde.

Figura 9-51 Esquema de sifón invertido con varias cañerías

Figura 9-52 Cámara de descarga



Actualmente la tendencia es construir pozos de limpieza no automáticos, disponiendo en las bocas de registro una conexión a manguera o a una toma permanente de la red de distribución de manera que periódicamente, personal realiza el volcamiento de agua para limpieza de los materiales sedimentados.

Diseño y cálculo de redes colectoras Una vez recopilada la información que ya hemos visto, podemos comenzar con el diseño y posterior cálculo del

proyecto de alcantarillado. Se deberá extraer el máximo provecho de los siguientes criterios:

Aprovechamiento de la pendiente natural del terreno: considerándose que la pendiente del conducto está correctamente diseñada cuando coincide con la pendiente del terreno.

Desagüe directo al punto de descarga: de manera que los líquidos residuales permanezcan el menor tiempo posible dentro del alcantarillado, ya que se corre el riesgo de que el líquido cloacal se septice dentro de la cañería. En verano este tiempo máximo de permanencia se estima en 6 hs.

Máxima utilización de cañerías de diámetro mínimo: antes de su descarga a los colectores. A modo de ejemplo, se han estudiado dos soluciones para sanear una misma área. Suponemos un caudal de 1 l/seg y conociendo que si utilizamos la pendiente mínima de 0,3 % la capacidad de transporte es:

o Diámetro 150 mm = 8,0 l/seg o Diámetro 200 mm = 16,5 l/seg

Es decir que las cañerías que transporten un caudal acumulado menor de 8,0 l/seg sean de diámetro 150 mm, en tanto que las que lo superen tendrán un diámetro de 200 mm. En la figura 9-53 vemos dos diseños que cubren la misma área. Se indican los caudales acumulados, y de la comparación de las soluciones I y II, surge que la segunda de ellas es la mejor, ya que necesita menor longitud de cañería de diámetro superior al diámetro mínimo.

Incremento de la capacidad hidráulica por medio de un aumento en el diámetro de la cañería: manteniendo un perfil de pendiente mínima. Cuando se necesita aumentar la capacidad de conducción, existen dos caminos: aumentar el diámetro o aumentar la pendiente o ambos parámetros. En general es conveniente adoptar el primer criterio, es decir aumentar el diámetro, debiendo usarse la segunda posibilidad, es decir el incremento de la pendiente, en caso de que la topografía del terreno sea favorable.

Anticipar el vuelco de las colectoras sobre los colectores principales: esto colabora en el diseño de los colectores principales, ya que cuando el caudal aumenta, disminuye a su vez la pendiente requerida para su autolimpieza.

De acuerdo a los criterios anteriores se comienza por determinar las pendientes del terreno y sus cuencas naturales de desagüe superficial. Superponiendo los trazados de las calles con la planialtimetría podemos diseñar el sentido de desagüe por las pendientes del terreno.

Figura 9-53 Diseños comparados de alcantarillados



También debemos tener en cuenta que no siempre la solución encontrarla de esta manera. Por ejemplo podemos encontrarnos en situaciones de terrenos con muy poca pendiente y en algunos casos a contrapendiente con respecto al punto de recolección de líquidos residuales o de conexión con sistemas existentes.

Recordemos que siempre hay soluciones técnicas para los distintos problemas con los que nos encontraremos en cada proyecto, pero como ingenieros debemos encontrar la solución más económica de todas las opciones técnicas encontradas para el proyecto.

Veremos ahora los casos que se pueden presentar respecto de las pendientes de terreo y de las cañerías. En las figuras que siguen nos encontramos con las siguientes referencias:

ic = pendiente de la cañería it = pendiente del terreno t1 = tapada inicial t2 = tapada final S = saltos en cañerías

En los ejemplo siguientes no utilizaremos medidas sino que estableceremos criterios de soluciones: La pendiente de la cañería es mayor que la del terreno (ic > it): según se observa en la figura 9-54 la cañería

va incrementando la profundidad, con en consiguiente aumento de los volúmenes de excavación. Por ello se debe utilizar las pendientes mínimas para reducir la tapada final. Además es conveniente analizar los casos particulares en función de la profundidad de capas freáticas, consistencia de suelos, etc.

La pendiente de la cañería es igual que la del terreno (ic = it): según se aprecia en la figura 9-55 es casi el caso ideal, ya que la profundidad de la cañería es igual en todo su recorrido, por lo que no se incrementan los volúmenes de excavación. Es una situación que es muy difícil de encontrar en la realidad.

La pendiente de la cañería es menor que la del terreno (ic < it): tal como se observa en la figura 9-56, el terreno tiene mayor pendiente que la cañería, por lo que tenemos que controlar que la tapada final no sea menor que la mínima. Una de las formas de adaptarse es hacer coincidir la pendiente de la cañería con la del

terreno, pero controlando que la velocidad de los líquidos residuales no supere la velocidad máxima permitida. Si este parámetro no es superado entonces debemos tener en cuenta que la mayor pendiente implica un aumento de la capacidad o caudal de transporte de la cañería. Otra forma de solucionar este problema es hacer saltos en la cañería tal como se indica en la figura 9-57, siempre teniendo en cuenta las condiciones reglamentarias en cuanto a pendiente máximas y salto máximos que se pueden realizar en las bocas de registro.

Figura 9-54 Pendiente cañería mayor que la del terreno

Figura 9-55 Pendiente cañería igual a la del terreno

Figura 9-56 Pendiente cañería menor que la del terreno



Caudales a desaguar Recordemos que para calcular los caudales que circularán en el alcantarillado debemos tener en cuenta lo siguiente:

Caudal de provisión de agua por red de distribución Infiltraciones Existencia de sistemas particulares de provisión de agua

Al existir una red de provisión de agua, podemos tener la dotación que se le asigna a la población. De idéntica manera a que cuando calculamos la red de distribución de agua establecemos un gasto o caudal hectométrico. La relación entre el caudal proporcionado por la red de distribución de agua y el caudal que se desagua se denomina coeficiente de desagüe y tiene el valor de:

Coeficiente de desagüe: 0,8 a 0,85

El coeficiente de desagüe es menor que la unidad, pues existe una cantidad de agua utilizada en riegos, lavado que van a

los desagües pluviales, evaporación por cocción, etc. Con respecto a las infiltraciones, hay que tener en cuenta las pluviales que pueden ingresar por las bocas de registro

ventiladas y teniendo en cuenta el valor siguiente por cada una de ellas:

Qinf : 1,5 a 5 lts/seg Si existen instituciones o industrias que posean sistemas propios de abastecimiento debe tenerse en cuenta que el

coeficiente de desagüe a utilizar es el siguiente:

Coeficiente de desagüe: 1,25 a 1,50 Siempre tomando como base la dotación asignada como consumo de agua de red. Recordemos que la red de alcantarillado se calcula con los gastos hectométricos, teniendo como aportes puntuales los

caudales de infiltración y los de instituciones o industrias que realicen aportes importantes

Hidráulica de las alcantarillas La mayor parte de las alcantarillas se proyectan como canales abiertos y no como cañerías a presión, aunque en

ocasiones puedan ir llenas. Existen excepciones, como los sifones invertidos y las cañerías de impulsión de las estaciones de bombeo de aguas residuales, que trabajan siempre a presión. Puede ocurrir, accidentalmente que la capacidad de las alcantarillas sea superada por infiltraciones incontroladas, con lo que se llenarán, anegando las bocas de registro. Se dice entonces que las alcantarillas están sobrecargadas.

Fórmulas de circulación Cuando el agua entra por un tubo o canal a caudal constante y sale libremente por el otro extremo, se establecerá

enseguida un régimen de corriente permanente y uniforme. Un régimen de corriente se denomina permanente cuando, por un punto cualquiera dato, pasa el mismo volumen de líquido por cada unidad de tiempo. Se llama régimen de corriente uniforme a aquel en que no se producen variaciones de su velocidad a lo largo del trayecto.

En los casos normales de los proyectos de alcantarillas, la corriente puede suponerse permanente pudiendo considerarse que es uniforme en los tramos rectos de las alcantarillas, si bien es de esperar que se produzcan variaciones de velocidad en los obstáculos y cambios de sección.

Si bien las presunciones anteriores no se cumplen en los comienzos de los trazados de las alcantarillas, se calculan todas de idéntica manera.

Figura 9-57 Pendiente cañería menor que la del terreno con saltos



El agua se mueve en sentido descendente en las cañerías o canales, por efecto de la fuerza de gravedad, y con la velocidad tal que la carga hidráulica disponible, compensen los rozamientos, y una pequeña fracción de la misma se transforme en energía cinética. El rozamiento o resistencia que debe vencerse será directamente proporcional a la rugosidad de la superficie de tubo o canal, a la superficie de contacto, a la densidad del líquido y, aproximadamente, al cuadrado de la velocidad. La superficie de contacto viene determinada por el producto del perímetro mojado por su longitud. Estas relaciones pueden expresarse por la fórmula de Chezy:

Donde: V = es la velocidad media en m/seg R = es el radio hidráulico s = es la pendiente o gradiente hidráulico C = es el coeficiente experimental

Como los efectos de la rugosidad, velocidad y otros factores, son solo aproximados, el valor de C no es constante sino que varía con V, R y s de acuerdo con la fórmula de Kuttrer que es:

Donde n es función de la rugosidad de la superficie de la cañería, y afecta a la velocidad por el inverso de su valor. En la tabla 9-58 se dan los valores de n determinados por experimentación.

Tabla 9-58 Valores de n en las fórmulas de Kutter y Manning

n Carácter de la superficie 0,009 Madera bien cepillada instalada con pendiente uniforme 0,010 Cemento alisado. Tubos los mas lisos 0,012 Madera no cepillada. Tubos de hierro fundido de rugosidad ordinaria 0,013 Albañilería de ladrillo bien construída. Buen hormigón. Tubo de acero

roblonado. Tubo de gres bien colocado 0,015 Tubo de gres y de hormigón deficientemente unidos y desigualmente

asentado. Fábrica de ladrillo corriente. 0,017 Ladrillo rugoso. Tubo de hierro poroso 0,020 Tierra lisa o gravilla afirmada 0,030 Zanjas y ríos en buen uso, algunas piedras y hierbajos 0,040 Zanjas y ríos con fondos rugosos y mucha vegetación

Para alcantarillas de tubos de gres u hormigón, a veces se toma para n el valor de 0,015. Si se han seguido buenos

métodos de construcción, con cuidadosas alineaciones de las cañerías y uniones lisas, n puede tomarse igual a 0,013, valor que es el normalmente adoptado. Para grandes cañerías de hormigón de cuidadosa construcción n vale 0,013 y todavía menos. Algunos organismos permite valores de n hasta 0,0125 para cualquier cañería lisa y duradero de longitud de 1,5 a 3 m. y de 0,012 en longitudes mayores de 3 m. Para los canales abiertos, con frecuencia se usa la fórmula de Manning:

El valor del parámetro n de esta fórmula es igual al que toma en la de Kutter por lo que pueden usarse los valores de la

tabla 9-58. El empleo de la fórmula de Manning para el cálculo de alcantarillas da resultados tan satisfactorios como los obtenidos con la Chezy y considerando como valor de C el proporcionado por la fórmula de Kutter. El valor de n de la fórmula de Manning no es constante ya que si se observan las ecuaciones, sirve para reemplazar el valor de C de la fórmula de Kutter, el cual varía con el radio hidráulico y, por tanto, con la profundidad del agua. Camp ha presentado una relación entre n y la profundidad del agua, la cual se muestra en la figura 9-59. La fórmula también puede aplicarse a la circulación por tubos cerrados tomando los valores de n que se dan en la tabla 9-58.

El proyecto de alcantarillas exige muchas determinaciones de velocidades, por lo que es de interés llegar rápidamente a soluciones convenientes, con cuyo objeto se ha diseñado ábacos que simplifican el proceso del proyecto cuando se dispone de ellos.

Especialmente, la fórmula de Chezy es engorrosa de emplear sin estos métodos abreviados. Mas adelante dispondremos de los ábacos basados en la fórmula de Manning.

La línea piezométrica En la circulación por canales abiertos, la línea piezométrica coincide con la superficie del agua y el gradiente o

pendiente es igual a la caída de esta por unidad de longitud. En condiciones ordinarias, se toma como pendiente de una alcantarilla la de su solera, lo que implica que el perfil hidráulico o la superficie del agua, serán paralelas a aquella. La mayor parte de las alcantarillas se encuentra en este caso, pero debe tenerse en cuenta que la presencia de cualquier obstáculo que

RsCV

0,00155/s))(23R(n/1

1/n0,00155/s)(23C

1/2s3/4Rn

1V



modifique la pendiente superficial del agua modificará la capacidad de conducción de la alcantarilla, con independencia de la pendiente de la solera.

Puede ser necesario el considerar esta posibilidad en los puntos en que se crucen alcantarillas grandes o donde se produzcan cambios de velocidad que afecten a la línea piezométrica, debido a la conversión de la energía potencial en cinética o viceversa. Los desagües de las alcantarillas en ríos o lagos, pueden a veces, estar sumergidos, lo que da origen a una pendiente de la línea de carga menor que la de la solera, y a una reducción efectiva de la capacidad de transporte.

Las alcantarillas de grandes dimensiones se curvan a veces con grandes radios, lo que incrementa la pérdida de carga afectando la línea piezométrica. Existen pocos datos experimentarles que puedan servir de base para llegar a conclusiones con respecto a cual será la pérdida de carga. Un procedimiento consiste en aumentar el valor del coeficiente n de rugosidad en los tramos en curva, sumándole de 0,003 a 0,005, para determinar la pérdida de carga en el tramo.

Los cambios de dirección en las alcantarillas pequeñas se realizan en las bocas de registro como ya vimos, mediante un canal curvado de radio muy pequeño. Es poco lo que se sabe respecto a la pérdida de carga que estas condiciones producen en los canales abiertos, pero puede considerarse que se aproximará a la que a la que se ocasiona en un codo cerrado. Esta pérdida se expresa en forma de fracciones de su energía cinética, siendo su valor probable, en este caso como sigue:

Con las velocidades corrientes, esta pérdida justificaría el dar a la solera de la boca de registro, una caída de unos 30 mm, por lo que es práctica corriente el hacerlo así en los registros en los que se produzca un considerable cambio de dirección. Algunos ingenieros disminuyen la rasante de la solera a partir de cada boca de registro, cuando el tamaño de la alcantarilla aumenta, en una cantidad igual a la diferencia de diámetros, es decir las claves de ambas alcantarillas quedan a la misma cota. Puesto que los aumentos de diámetro o sección suelen darse en aquellos puntos en que los ramales desembocan en las alcantarillas principales, la pendiente de la solera disminuye el peligro de que el agua residual retroceda hacia los ramales, inundándolos. Si las alcantarillas se proyectan para fluir a sección llena, el gradiente hidráulico no será paralelo a la solera en el entronque, y puede darse la inundación parcial de la alcantarilla a menos que se haga una caída de este tipo.

Velocidades necesarias La velocidad de las aguas residuales tiene gran importancia en los proyectos de alcantarillas, por que recordaremos y

ampliaremos lo visto anteriormente. La experiencia indica que en las alcantarillas de aguas negras se requiere una velocidad no inferior a 0,6 m/seg para

evitar la sedimentación de los sólidos. La pendiente mínima admisible, es por ello, la que produzca esta velocidad cuando la alcantarilla fluya a sección llena, pero si la topografía del terreno lo permite, deben proyectarse pendientes mayores.

En las alcantarillas de aguas de lluvia se requieren mayores velocidades que en las de aguas negras, debido a la presencia de arena gruesa y cascajo que arrastran las aguas. La mínima velocidad admisible es de 0,75 m/seg, pero conviene llegar a 0,90 m/seg. Debido al carácter abrasivo de los materiales sólidos, debe evitarse que la velocidad sea excesivamente

Figura 9-59 Parámetros hidráulicos de cañerías circulares

/2g)21,25(V



alta, considerándose como valor límite la de 2,4 m/seg. Incluso dentro de dichos límites, algunas alcantarillas importantes, de gran sección, se recubren frecuentemente por su parte baja con bloques de gres y otros materiales duros para evitar que se deterioren.

En terrenos muy llanos, donde es difícil conseguir la pendiente mínima, se tiene la tendencia a emplear cañerías de mayor diámetro debido a que así se puede obtener la velocidad de 0,6 m/seg con pendientes mas reducidas. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que la velocidad de 0,6 m/seg conveniente para su autolimpieza, solo se alcanzará cuando las cañerías estén llenas. En la figura 9-59 se observará que las cañerías que fluyen a menos de la mitad tienen velocidades menores que las llenas o casi llenas, por lo tanto, con el empleo de cañerías de mayor diámetro no se consigue mas que empeorar las condiciones. Así pues, el caudal previsto debe considerarse en relación con al pendiente y la velocidad real que se obtendrá. Quizás sea necesario adoptar pendientes que son demasiado bajas para obtener buenas velocidades de arrastre, en cuyo caso hay que tomar las precauciones necesarias para conseguir que la limpieza y su frecuencia, sean los convenientes con el fin de evitar obstrucciones y eliminar las que puedan producirse.

Diagramas de flujo En las figuras 9-60, 9-61 y 9-62, se presentan nomogramas, que resuelven la fórmula de Manning, para diversos

caudales y diámetros de cañería, considerando n = 0,013. La forma de usar estos nomogramas se explica mejor por medio de un ejemplo.

Se desea determinar el diámetro de la cañería necesaria para conducir 3,4 m3/min con una pendiente media de 0,003. Se utiliza para ello la figura 9-60, uniendo mediante una regla el 3,4 de la escala de caudales con el 0,003 de la de pendientes, cortará a la escala de diámetros en 305 mm y la de velocidades en 0,77, lo que indica que será necesaria una cañería de 305 cm y que la velocidad será de 0,77 m/seg.

De manera análoga, si se conocen dos de los datos que figuran en el nomograma, pueden obtenerse los otros dos. Si el diámetro que se obtiene, no corresponde con uno comercial, se usará la cañería del diámetro inmediato superior.

Recordemos siempre que estos nomogramas se calcularon considerando que las alcantarillas funcionan a sección llena. Esto en la realidad no es así, ya que las alcantarillas funcionan con secciones parcialmente llenas, en vista de esta diferencia debemos corroborar el cálculo de la siguiente manera.

Una vez elegido el diámetro comercial correspondiente, obtendremos la capacidad de transporte correspondiente para ese diámetro y para la misma pendiente. Luego establecemos la relación entre los caudales reales a transportar y la capacidad máxima de la cañería elegida, denominada relación de caudales:

Con ese valor ingresamos en el diagrama de elementos hidráulicos de la figura 9-63 por el eje horizontal, y cortar la curva de caudales. Luego trazamos una horizontal y donde corta el eje vertical nos da la relación entre el calado y el diámetro y con la misma horizontal cortamos la curva de velocidades; al trazar la vertical en ese punto, podemos hacer intersección con el eje horizontal y obtenemos la relación de velocidades que es:

Q Relación de caudales = —— QLL

V Relación de velocidades = —— VLL



Figura 9-60 Diagrama para cañerías circulares a sección llena (a)

Figura 9-62 Diagrama para cañerías circulares a sección llena (c)

Figura 9-61 Diagrama para cañerías circulares a sección llena (b)



Como nosotros habíamos obtenido la velocidad a sección llena del nomograma, tenemos que multiplicar dicha velocidad por la relación de velocidades obtenida con el diagrama de elementos hidráulicos, para obtener la velocidad real. Es esta última velocidad que debemos tener en cuenta para compararla con la velocidad mínima de autolimpieza.

La figura 9-64 es un nomograma basado en la fórmula de Manning, referido a varios valores de n. Puede emplearse para cañerías y conducciones de cualquier forma y para canales abiertos. Se emplea como sigue:

Una cañería de 1,83 m de diámetro está realizada en mampostería, muy antigua y rugosa. El valor de n se supone por tanto 0,017. La pendiente de la alcantarilla es de 0,003. ¿Cuál será el caudal conducido y la velocidad del agua, cuando funciona a sección llena?. El radio hidráulico, cuando esta llena, será de 0,46 m. Uniendo con una regla los puntos n = 0,017 y s = 0,003 se encontrará la intersección con el eje que, una vez determinado, se una mediante una regla, con el punto 0,46 de la

Figura 9-63 Diagrama de elementos hidráulicos

Figura 9-64 Nomograma de Manning para cualquier valor de n



escala de radio hidráulico. Esta línea corta a la escala de velocidades en 1,83 m/seg. Con esa velocidad y la cañería llena, el caudal conducido será de 4,8 m3/seg.

Por supuesto son válidas para este ejemplo lo visto anteriormente para el diagrama de elementos hidráulicos para determinar velocidades a secciones no llenas.

Colectoras generales Las colectoras generales con aquellas que reúnen los caudales de aguas residuales de las colectoras y las vuelcan a la

cloaca máxima. Todas se calcula de idéntica manera que ya hemos visto para las colectoras mas pequeñas. Es muy probable que los diámetros comerciales resulten pequeños para los volúmenes de aguas residuales a transportar,

por lo que en general se recurre a alcantarillas construidas in situ. Si bien podemos construirlas de sección circular en general se construyen con secciones no circulares como se observa

en la figura 9-65.

En la tabla 9-66 se aprecian los datos de sección, perímetro mojado y radio hidráulico de las secciones de la figura 9-65.

Tabla 9-66 Parámetros hidráulicos referidos a la figura 9-55 Parámetros hidráulicos a sección llena Tipo de Alcantarilla

Área Perímetro mojado Radio hidráulico Ovoide (a) 0,510D2 2,643D 0,193D Semielíptica (b) 0,783D2 3,258D 0,240D De herradura (c) 0,913D2 3,466D 0,263D De arco de tres centros (d) 0,786D2 3,193D 0,246D

Para los cálculos correspondientes utilizaremos la fórmula de Manning y los diagramas de elementos hidráulicos

correspondientes a las secciones vistas, tal como se muestran en la figura 9-67

Figura 9-65 Alcantarillas de secciones no cirulares: (a) Ovoide, (b) Semielíptica, (c) De herradura , (d) de arco de tres centros



Estaciones de bombeo Puede resultar que el proyecto de alcantarillado necesite la instalación y diseño de Estación de Bombeo de aguas

residuales. Las principales condiciones y factores que afectan la necesidad de recurrir al uso de estaciones de bombeo son las siguientes:

Cuando la cota de la toma a servir es demasiado baja para que sus aguas residuales puedan ser evacuadas por gravedad a los colectores existentes o en proyecto.

Cuando se requiere dar servicio a zonas situadas en el exterior de la cuenca. Cuando la omisión de un bombeo, aún en el caso de que ello sea factible, supone un costo de construcción

excesivo debido a la necesidad de efectuar grandes excavaciones para la construcción de la alcantarilla que de servicio a una zona determinada.

Las estaciones de bombeo modernas están completamente automatizadas. Las de pequeño tamaño no suelen tener personal adscrito a ellas, no requiriendo mas atención que la necesaria inspección diaria de funcionamiento y del mantenimiento de los equipos instalados. Las estaciones de mayor importancia, especialmente aquellas que sirven grandes zonas de ciudades de gran tamaño, suelen tener operarios que las atienden permanentemente, aunque el número de los mismos es, normalmente pequeño. En la mayoría de los casos, es suficiente disponer de turnos compuestos por una o dos personas.

Clasificación de las estaciones de bombeo Las estaciones de bombeo han sido clasificadas de varias maneras, aunque ninguna de ellas es satisfactoria. Algunos de

los sistemas normales de clasificación son los siguientes: Por capacidad (m3/seg, m3/día, l/seg) Según la fuente de energía (eléctrica, diesel, etc) Por el método de construcción (prefabricada, in situ, mixta) Por su función u objetivo específico.

En la tabla 9-68 se presenta una clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y método constructivo normalmente utilizado. Como puede observarse, hay superposición en lo que se refiere a las capacidades entre las estaciones prefabricadas y las de construcción convencional.

Tabla 9-68 Clasificación de estaciones de bombeo Clase m3/seg Eyectores neumáticos < 0,02 Prefabricada con cámara de aspiración 0,006 a 0.03 Prefabricada con cámara seca 0,006 a 0,1

Figura 9-67 Diagramas de elementos hidráulicos de alcantarillas no circulares: (a) ovoide, (b) semielíptica, (c) De herradura, (d) De arco de tres centros



Convencional Pequeña 0,02 a 0,09 Convencional Mediana 0,06 a 0,65 Convencional Grande > 0,65

Las estaciones de bombeo prefabricadas son suministradas en módulos que incluyen todos los equipos y componentes

ya montados. Normalmente, se encuentran disponibles tres tipos de equipos de bombeo: Eyectores neumáticos: los eyectores neumáticos trabajan con aire comprimido. La figura 9-69 muestra un

tipo de eyector, el cual cosiste en un tanque o depósito receptor en el que viene el agua residual hasta que se llena saliendo el aire por un orificio de ventilación. La campana superior contiene aire atrapado lo cual crea un efecto de flotación que hace elevar una varilla que cierra la salida del aire al tiempo que abre la entrada de aire comprimido, el cual fuerza el agua residual hacia la cañería de descarga. Cuando se vacía el tanque, el peso de la campana inferior es suficiente para tirar de la varilla hacia abajo, lo cual tiene el efecto de cerrar la entrada de aire comprimido y abrir la salida del aire. En la entrada y en el conducto de descarga se disponen válvulas de retención. Aunque los eyectores han sido empleados para el bombeo de caudales importante, las bombas centrífugas los han prácticamente desplazado. Tienen la importante ventaja de que no presentan, en la práctica, problemas de atascamiento y, por tanto, puede elevar aguas residuales que no hayan sufrido desbaste previo. El sitio donde puede producirse atascos es el la válvulas.

Bombas sumergidas: las bombas sumergidas trabajan inmersas en el agua residual, tal como lo indica la figura 9-70. Básicamente son motobombas centrífugas de eje vertical que pueden extraerse de sus acoplamientos a las cañerías sin necesidad de entrar en el pozo de bombeo.

Bombas de cámara seca: en las bombas de cámara seca, el motor y el rotor de la bombas se encuentran separados, es decir, el rotor sumergido en las aguas residuales y el motor por encima del pozo de bombeo. En la figura 9-71 vemos un modelo de bomba de cámara seca.

Figura 9-69 Eyector neumático

Figura 9-70 Bombas sumergidas

Figura 9-71 Bomba de cámara seca



Los eyectores neumáticos se suelen emplear para caudales pequeños, ya que las bombas centrífugas cuya sección de paso sea de 75 mm, no pueden funcionar a caudales menores de 0,006 m3/seg. Para caudales pequeños también se pueden emplear bombas sumergidas que pueden ser extraídas para su mantenimiento sin afectar al sistema de impulsión. Ambos tipos de bombas pueden usarse en instalaciones prefabricadas o convencionales. En el curso de los últimos años, la capacidad de las instalaciones prefabricadas se ha visto incrementada, pudiendo conseguirse, instalaciones de capacidades superiores a 0,3 m3/seg. La capacidad de las estaciones de bombeo convencionales puede oscilar entre 0,02 a 0,65 m3/seg. y se emplean cuando:

Las condiciones locales impiden el uso de estaciones prefabricadas La magnitud o variación del caudal es tal que excede las capacidades disponibles de las instalaciones

prefabricadas. Aunque se emplea el término de convencionales para describir este tipo de estaciones, cada una de ellas se proyecta

para adecuarla a las condiciones locales.

Características generales de las estaciones de bombeo El objeto básico de una estación de bombeo es elevar las aguas residuales, por lo que dentro de una estación se

incluyen, tanto las bombas como los equipos auxiliares de las mismas. En consecuencia las características de diseño de las estaciones de bombeo varían con la capacidad y el método constructivo a emplear. En la figura 9-72 se muestra un diagrama esquemático de una estación de bombeo convencional y en la figura 9-73 una estación de bombeo prefabricada típica.

Las características generales de ambos tipos se resumen en la tabla 9-74.

Tabla 9-74 Características generales de estaciones de bombeo convencionales y prefabricadas Característica Función Normal Convencional Prefabricada Construcción Estructura de hormigón armado. La

superestructura puede ser de mampostería, hormigón armado o paneles de madera o metálicos

Acero, fibra de vidrio

Figura 9-72 Estación de Bombeo convencional

Figura 9-73 Estación de Bombeo prefabricada



Cámara de aspiración

Recepción de agua residual de la red de alcantarillado y almacenamiento antes del bombeo

A menudo se instalan equipos de protección de las bombas tales como rejas y dilaceradores. El acceso a la cámara de aspiración debe ser directo desde el exterior y por medio de una escalera

A menudo se emplean pozos de registro de hormigón como cámaras de aspiración en estaciones de pequeño tamaño

Cámara seca Alojamiento de las bombas Los motores y cuadros de control se instalan en el piso intermedio de la cámara seca o en el piso superior a nivel del terreno

Los motores suelen colocarse en la cámara seca junto con el cuadro de control, generalmente, hay que instalar un deshumidificador para proteger este último contra la corrosión

Bombas Situadas en la solera de la cámara seca con la parte superior de la carcasa por debajo del nivel mínimo de agua de la cámara de aspiración

Tuberías de aspiración y descarga

La tubería de aspiración conecta la cámara de aspiración con la bomba. La tubería de descarga conecta la bomba con la tubería de impulsión. Las válvulas suelen localizarse en las tuberías de aspiración y descarga para permitir el aislamiento de las bombas para su mantenimiento y limpieza

Instrumentación Incluye los controles automáticos y manual de las bombas, las alarmas de nivel máximo y mínimo y la medida del caudal

El cuadro de control de motores se coloca en el piso a nivel del terreno en las estaciones de gran tamaño

El cuadro de control se coloca en la cámara seca

Equipo eléctrico Los motores eléctricos son el sistema de accionamiento de uso común de las bombas

Los motores se colocan en el piso intermedio de la cámara seca o en el que está a nivel del terreno. A veces se emplean motores duales en grandes estaciones para accionar las bombas

Los motores suelen acoplarse directamente a las bombas y el conjunto se coloca en la cámara seca

Fuente de suministro de energía

Por razones de seguridad de funcionamiento, la estación de bombeo debe tener doble alimentación de energía. Ello puede conseguirse mediante dos líneas eléctricas o una línea y uno o mas grupos electrógenos montados en la estación

Generalmente, sólo hay una línea de suministro eléctrico, aunque puede instalarse un grupo electrógeno como fuente auxiliar

Calefacción y ventilación

Dependiendo de la temperatura, la cámara de aspiración puede precisar calefacción para evitar condensaciones y heladas. En climas fríos, se necesita calefacción en la cámara seca para evitar las heladas. Ambas cámaras requieren ventilación para eliminar vapores peligrosos

Fontanería La instalación de fontanería de las estaciones de gran tamaño consiste, normalmente, en una bomba de sumidero para el drenaje de la cámara seca

Varios Las trampas de acceso deben colocarse deben colocarse de modo que permitan la extracción de las bombas, motores y equipos auxiliares. Para facilitar el mantenimiento y extracción de elementos se suele utilizar pórticos o, preferiblemente, vigas carril con aparejos sobre las trampas de acceso y sobre cada equipo pesado. En ocasiones se instalan elementos complementarios tales como baños, vestuarios, almacén y taller. En algunas estaciones, especialmente en climas cálidos, las aguas sépticas y el sulfuro de hidrógeno pueden originar olores t problemas de corrosión. En estos casos hay que instalar en la estación sistemas de cloración u otros tratamientos químicos para eliminar tales problemas



Diseño de estaciones de bombeo convencionales Las estaciones de bombeo convencionales se usan cuando los caudales son importantes, o bien cuando el agua residual

debe ser desbastada para proteger a las bombas. Al contrario de lo que ocurre con las estaciones prefabricadas, en las que la zona de ubicación debe adaptarse a ellas, las estaciones convencionales, tienen un diseño específico para cada situación.

Construcción de las estaciones de bombeo La estructura de las estaciones de bombeo debe ser de hormigón armado. Las paredes exteriores situadas por debajo del

terreno y las de la cámara de aspiración deben tratarse con un revestimiento hidrófugo para evitar las filtraciones. Las estructuras exteriores deben diseñarse de modo que armonicen con el entorno y construirse a prueba de incendio. En estaciones sin personal permanente no deben existir ventanas para reducir el riesgo de vandalismo. La planta debe situarse a cota superior a la prevista por inundaciones. Tanto en la parte exterior como en la enterrada de la estación, las cámaras de aspiración y secas deben estar aisladas entre sí, lo cual exige que las paredes de separación sean estancas al vapor, y las juntas de todas las cañerías y pasamuros, estancas al gas.

Las secciones mas comúnmente empleadas son las cuadradas y rectangulares ya que permiten una mejor utilización del espacio disponible y una fácil separación entre las cámaras de aspiración y secas. Sin embargo, en estaciones profundas debe estudiarse el empleo de secciones circulares que resisten mejor las sobrecargas que las rectangulares.

Las estaciones deben disponer de instalaciones de mantenimiento, extracción y cambio de los equipos. En las estaciones de gran tamaño se suele disponer de puentes grúa o vigas carril, mientras que en las mas pequeñas basta con algún tipo de gancho situado sobre los componentes de mayor tamaño. Las puertas deben ser del tamaño suficiente para permitir la extracción de los equipos, así como de puertas trampa dispuestas en el suelo para la extracción de elementos situados en niveles inferiores.

Cámara de aspiración En la cámara de aspiración o pozo de bombeo se realiza el almacenamiento del agua residual antes de su bombeo. El

volumen de almacenamiento depende del tipo de bombas, ya sean de velocidad constante o variable. Si se eligen bombas de velocidad constante, el volumen debe ser suficiente para evitar que los ciclos de funcionamiento sean demasiado cortos, lo cual supone una frecuencia elevada de arranques y paradas.

Otras funciones importantes de la cámara de aspiración son conseguir que existe suficiente sumersión en la aspiración de las bombas para eliminar la formación de vórtices y hacer que la transición del caudal desde la alcantarilla a las cañerías de aspiración de las bombas sea lo mas gradual posible. Muchos problemas de funcionamiento de las bombas resultan del diseño inadecuado de la cámara de aspiración. Entre los principales se pueden citar la prerotación del agua y la formación de turbulencias que afectan a la altura de aspiración y al rendimiento de las bombas.

Como el agua residual penetra en la estación de bombeo a través de la cámara de aspiración, los gases de la alcantarilla y los materiales inflamables que pueda contener el agua residual deben ser venteados al exterior desde la cámara de aspiración, el diseño incorrecto de la misma ha sido causa de explosiones en muchas estaciones de bombeo. Para reducir este riesgo, todas las instalaciones eléctricas de la cámara de aspiración deben ser antideflagrantes y a prueba de explosiones.

Es una buena práctica, dividir la cámara de aspiración en dos o mas compartimentos, de manera que pueda dejarse fuera de servicio una parte de la cámara de aspiración para su inspección y limpieza. Debido al tamaño de la cámara de aspiración, el flujo en la misma no siempre es turbulento, por lo que suele producirse la sedimentación de arena y sólidos, razón importante para que la solera de la cámara debe tener una inclinación hacia la zona de aspiración de las bombas.

Cada compartimiento de la cámara de aspiración debe tener entrada y compuerta de aislamiento individuales que permitan derivar el caudal al otro u otros compartimientos, cuando se desee dejarlo fuera de servicio. No obstante, los

Figura 9-75 Planta de estación de bombeo con rejas de limpieza



compartimientos deben estar interconectados entre sí por medio de compuertas a fin de poder disponer de la totalidad del volumen de almacenamiento para evitar una excesiva frecuencia de arranques y paradas de las bombas. Si la cámara de aspiración está cubierta, cada compartimiento debe disponer de un acceso independiente.

En la figura 9-72 se muestra una pequeña estación que incorpora dos cámaras de aspiración. En las figuras 9-75 y 9-76 observamos la planta y el corte de una estación de bombeo grande con una cámara de

aspiración que consta de cuatro bombas y espacio para una quinta bomba futura. Como puede verse, la cámara de aspiración está dividida en tres compartimientos, cada uno de los cuales incluye una reja de limpieza mecánica independiente.

La geometría de la cámara es importante para minimizar la deposición de sólidos. La solera es horizontal hasta un punto situado a 30 o 40 cm. mas allá del borde exterior de la campana de la cañería de aspiración y a continuación, debe ascender hacia la pared opuesta, con una pendiente igual o superior a 1:1.

El volumen necesario de la cámara de aspiración depende del sistema de funcionamiento de las bombas. Si éstas son de velocidad variable, de forma que se varía el caudal de bombeo, de acuerdo con el agua residual que llega a la estación, el volumen de almacenamiento requerido es pequeño, siendo suficiente el necesario para permitir el cambio de la capacidad de bombeo cuando se arranca o para una bomba antes de alcanzar la siguiente altura de arranque o parada. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto.

Las bombas de velocidad constante o de dos velocidades necesitan mayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos de funcionamiento demasiado cortos. Para motores de potencia entre 15 y 75 Kw., el tiempo entre arranques no debe ser inferior a 15 minutos. Para motores de potencia entre 75 y 200 Kw. el tiempo de arranque debe estar comprendido entre 20 y 30 minutos. Para motores de potencia superior a 200 Kw. debe consultarse con el fabricante. El tiempo de arranque para motores de potencia inferior a 15 Kw. puede reducirse hasta 10 minutos, aunque es recomendable adoptar 15 minutos.

El tiempo entre arranques es función del caudal de bombeo y del caudal ingresante a la estación. En bombas con motores de dos velocidades, el caudal de bombeo es la diferencia entre el caudal correspondiente a cada velocidad.

El volumen de la cámara de aspiración comprendido entre los puntos de arranque y parada de una sola bomba o un solo escalón de control de velocidad para bombas de dos velocidades, viene dado por la siguiente ecuación:

Donde:

V = capacidad necesaria en m3 Φ = tiempo mínimo en minutos de un ciclo de bombeo. Tiempo entre arranques sucesivos o cambios de

velocidad de una bomba que funciona entre los límites de un intervalo de control q = capacidad de la bomba en m3/min., o incremento de la capacidad cuando una bomba se encuentre en

funcionamiento y arranca una segunda o cuando se aumenta la velocidad del motor. Si el volumen calculado supone la construcción de una cámara excesivamente grande para una estación de bombeo que

conste de dos bombas iguales, una de las cuales está de reserva, puede reducirse el volumen a la mitad instalando un conmutador automático en el circuito de control de la bomba, el cual arrancará y parará las bombas en forma alternativa, lo que tiene el efecto de hacer que el valor de Φ sea la mitad del necesario para una única bomba.

La mayor parte de los organismos reguladores exigen un tiempo de retención máximo en la cámara de aspiración para minimizar el potencial desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores. A menudo, suele establecerse un tiempo de retención máxima de 10 minutos, para el caudal medio de proyecto. Desgraciadamente, este valor puede estar en contraposición con la necesidad de disponer de volúmenes adecuados para prevenir ciclos de funcionamiento de las bombas demasiado pequeños. En tales casos, debe contemplarse la posibilidad de instalar varias bombas o bombas de dos velocidades para reducir el incremento del caudal de bombeo y, en consecuencia, el volumen necesario. Además, se puede minimizar la

Figura 9-76 Corte de estación de bombeo con rejas de limpieza

Φ q V = —— 4



producción de olores si el nivel mínimo del agua en la cámara de aspiración se encuentra por encima de la zona de la misma que tiene el fondo inclinado. Esto se puede conseguir haciendo que ese nivel sea el punto de parada de la primera bomba dentro de la secuencia de bombeo.

El problema mas frecuente es obtener suficiente volumen de cámara de aspiración a un costo razonable. En las estaciones importantes que sirven a grandes colectores, puede conseguirse un volumen efectivo adicional utilizando la capacidad de almacenamiento de los colectores. Si el punto de arranque de las bombas en la cámara de aspiración está situado por debajo de la solera de los colectores, no hay posibilidad de utilizar la capacidad de almacenamiento de éstos. Sin embargo, cuando se encuentra por encima, se pueden obtener las curvas de remanso para calcular el volumen de almacenamiento efectivo de los colectores entre los diversos escalones de control. Este volumen, a menudo ascienda hasta por encima del 50 % del total. Este sistema es mas comúnmente utilizado en estaciones de bombeo que incorporan rejas de limpieza automática.

Cuando se piensa usar la capacidad de almacenamiento de las almacenamiento de las alcantarillas, debe asegurarse que se mantienen las velocidades de circulación adecuadas, tanto en las alcantarillas como en las rejas, este uso de las alcantarillas no es común en las estaciones de bombeo pequeñas dotadas de dilaceradores, debido a que la capacidad de las alcantarillas pequeñas es baja ya que pueden inundarse los dilaceradores.

Instalaciones complementarias de la cámara de aspiración Todas las bombas, independientemente de su tamaño pueden obstruirse con trapos y otros materiales, normalmente

presentes en el agua residual. Cuando mayor sea la bomba, mayor es el tamaño de los sólidos que puede bombear, pero toda bomba puede atascarse por trapos.

Los trapos tienen tendencia a engancharse a los componentes de la bomba, acumulándose hasta que, eventualmente, producen su atascamiento. Para proteger a las bombas de este problema, en la mayoría de las estaciones de bombeo, excepto en las pequeñas, se suele instalar algún dispositivo en la cámara de aspiración separe o desmenuce los trapos y otros materiales. Los dispositivos mas comúnmente usados son las rejas y dilaceradores.

Una reja es un dispositivo formado por un conjunto de barras paralelas cuya misión es separar los objetos contenidos en el agua residual a medida que pasa a través de ella. La separación de las barras varía entre 25 y 150 mm, dependiendo del grado de protección necesario. Normalmente, las rejas de las estaciones de bombeo son de limpieza automática, aunque en caso de emergencias se utilizan rejas de limpieza manual, situadas en canales de bypass, cuando las de limpieza automática están fuera de servicio.

Los residuos extraídos en las rejas han de ser evacuados a luna zona adecuada para ello, o bien pueden triturarse y ser retornados al agua residual.

Un dilacerador es un dispositivo mecánico que separa los sólidos del agua residual a medida que la misma lo atraviesa y, a continuación, los coarta y desmenuza en tamaños suficientemente pequeños para que puedan pasar a través del dispositivo de desbaste y de las bombas sin producir atascamientos. Cuando se vaya a seleccionar un dispositivo de desbaste, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Los trapos dilacerados tienen tendencia, cuando son agitados, a aglomerarse formando bolas. Ello puede constituir un problema en una estación de bombeo en la que lo único que se pretende es la protección de las bombas, pero si lo es en una estación depuradora en la que las bolas de trapo pueden afectar a algún proceso de tratamiento.

En las rejas, cuanto menor sea la separación entre barras, mayor será la cantidad de residuos a extraer. En consecuencia, la separación deberá ser lo suficientemente pequeña para proteger las bombas, pero al mismo tiempo, tan grande como sea posible para reducir la cantidad de residuos a extraer. Si el único criterio a aplicar es la protección de las bombas, se sugiere adoptar una separación entre barras del orden de un tercio del máximo tamaño de sólidos que puede manejar la bomba.

La mínima separación entre barras normalmente utilizada es de 100 mm. Cuando se utilicen separaciones inferiores a 75 mm, es de esperar que se presenten problemas porque se retengan sólidos putrescibles, con juntamente con el resto de residuos, que pueden producir malos olores.

Cámara seca En las estaciones de bombeo convencionales, la cámara seca está situada adyacente a la de aspiración y alberga las

bombas y el conjunto de cañerías de aspiración e impulsión y sus correspondientes válvulas. A lo largo de la pared de separación entre las cámaras debe haber un canal de drenaje para recoger y transportar las pérdidas que puedan producirse, así como el agua procedente del drenaje de las bombas y el de la limpieza de la cámara seca hasta un sumidero. La solera de la cámara seca debe tener pendiente hacia el canal de drenaje y éste, a su vez, debe tener una pendiente de 10 mm./m. Hacia el sumidero. En las figuras 9-72 y 9-76 se muestran ejemplos típicos de cámaras secas.

En todas las estaciones de bombeo, con excepción de las de tamaño mas pequeño, deben instalarse escaleras de acceso, construidas en acero galvanizado o de aluminio de rigidez suficiente. Las escaleras de mano deben instalarse solo cuando lo permitan las normas vigentes y no se posible construir una escalera convencional. No debe utilizarse escaleras circulares.

En las estaciones de bombeo profundas, se suele disponer una planta intermedia entre la superficie del terreno y la solera de la cámara. Los motores de accionamiento de las bombas suelen situarse en la planta intermedia. En estaciones poco profundas, los motores se colocan sobre la solera de la cámara. Al diseñar la cámara seca debe cuidarse la disposición de los accesos y trampas de la solera de manera que permitan la extracción de motores, bombas, cañerías y otros componentes. A fin de facilitar las labores de mantenimiento y reparación de las bombas, deben estar suficientemente separadas.



Montaje de las bombas En las estaciones de bombeo convencionales las bombas convencionales las bombas son, normalmente, del tipo de eje

vertical y aspiración única se instalan en la cámara seca con los motores dispuestos sobre un piso situado por encima de las bombas, a las que accionan por medio de un eje vertical flexible como se muestra en la figura 9-72. Las bombas deberán montarse de manera que el punto mas alto de la carcasa se encuentre por debajo del nivel mínimo del agua residual en la cámara de aspiración. Esta disposición asegura que el aire no penetre en la bomba cuando no está en funcionamiento, por lo que, cuando se produce el arranque automático, está siempre llena de agua.

Las bombas deben disponerse alineadas y con separaciones idénticas suficientemente amplias para permitir el acceso y para su mantenimiento. Se recomienda que la separación mínima entre bombas sea de 1 a 1,3 m. cuando son de pequeño tamaño y del orden de la anchura de las volutas cuando se trata de bombas grandes.

Es preciso disponer tapas de inspección en la voluta de la bomba y en los codos de aspiración. La superficie interna de la tapa de inspección debe tener la forma de la voluta o del codo.

En los puntos superior e inferior de la voluta deben instalarse conexiones de venteo y drenaje de diámetro no inferior a 75 mm, incluyendo la válvula de la conexión de drenaje. El drenaje de la carcasa y de la zona de juntas debe conectarse al canal general de drenaje de la estación.

Puesto que el mantenimiento de la bomba supone, en su mayor parte, la comprobación de todos sus elementos móviles, rotor, eje, manguito del eje y cojinetes, es indispensable que las bombas sean fácilmente accesibles, lo cual se consigue cuando el moto está situado en el piso superior y la transmisión se efectúa mediante un eje flexible dotado de junta universal. Esta disposición tiene la ventaja que no afecta a la alineación entre bomba y motor. En las bombas en que el acoplamiento es directo y el motor está montado sobre un bastidor acoplado a la bomba, es preciso extraer el motor para desmontar la bomba.

Cañerías de aspiración e impulsión La velocidad del agua residual en las boquillas de aspiración y descarga varía entre 3 y 4,25 m./seg. Si la velocidad

resultante quedara fiera de este intervalo, lo mas probable es que deba seleccionarse otra bomba mas adecuada. Cuando las alturas manométricas con de 30 m. o mas, se sueles necesitar bombas con velocidades de descarga superiores a los valores indicados. Se recomienda que el diámetro de la cañería de aspiración sea un o dos veces superior al de la boquilla de aspiración de la bomba y que el del conducto de descarga sea, como mínimo, el doble que el de la boquilla de descarga de la bomba. En la mayoría de las bombas para aguas residuales, las boquillas de aspiración y descarga son del mismo tamaño, aunque en ocasiones, la de aspiración es mayor.

Estableceremos a continuación los parámetros a considerar en los conductos de aspiración y descarga: Conducto de aspiración: las velocidades en el conducto de aspiración debe ser del orden de 1,2 a 1,8 m./seg.,

por lo que es preciso colocar un reductor excéntrico en la conexión con la boquilla de aspiración, de manera que la zona recta quede situada en la parte superior del reductor como se observa en la figura 9-77. Las bombas de eje vertical suelen incluir, normalmente un codo en la aspiración. Si este codo no forma parte del suministro, será preciso colocar un codo reductor, frecuentemente de gran radio, en la zona inferior de la bomba. La cañería debe incluir una válvula esclusa situada a continuación del pasamuros de la pared divisoria entre las cámaras de aspiración y seca y una junta flexible entre la válvula anterior u la bomba. Esta disposición permite la apertura de la bomba sin inundar la cámara seca. El tipo de válvula esclusa mas adecuado es el de compuerta tipo cuña con volante y husillo.

El extremo de la cañería de aspiración dentro de la cámara, suele incluir un codo embridado de 90º a 45º con boca acampanada o bien un codo embridado de 90º o 45º con una pieza recta, de boca acampanada. Si el diámetro del extremo acampanado es D, el punto medio de la boca debe estar a una distancia de la solera de la

Figura 9-77 Montaje de bombas



cámara comprendida entre 1/3 D y ½ D. En ocasiones, el extremo de la cañería de aspiración acaba directamente en la pared divisoria. En la figura 9-78 se observan ejemplos de conexiones de aspiración en relación con la solera de la cámara de aspiración.

Es preciso que el extremo de la cañería de aspiración se encuentre sumergido en todo momento para evitar la entrada de aire pro razón del vórtice que se produce cuando el nivel del agua en la cámara de aspiración es bajo. La altura del agua por encima de la boca acampanada es función de la velocidad de entrada. En la tabla 9-79 se indican las sumersiones requeridas para diversas velocidades de entrada.

Tabla 9-79 Sumersiones necesaria para evitar formación de vórtices Velocidad en la boca de aspiración

(m/s) Sumersión necesaria

(m) 0,6 0,3 1,0 0,6 1,5 1,0 1,8 1,4 2,1 1,7 2,4 2,15 2,7 2,6

Conducto de descarga: la velocidad del agua en el conducto de descarga para el máximo caudal de bombeo debe variar dentro 1,8 a 2,4 m./seg. En el extremo de la descarga hay que instalar un cono de ampliación concéntrico, tal como se indica en la figura 9-77, seguido de una válvula de retención y una válvula esclusa, la cual, preferiblemente, conviene que sea del tipo de compuerta de cuña con volante y husillo. La válvula de retención debe ser necesariamente, de una de los tipos siguientes: válvula de retención de clapeta, válvula cónica, válvula de disco basculante o bien válvula mariposa. Estos cuatro tipos de válvulas vienen descriptas en la tabla 9-80. La descarga de la bomba debe conectarse horizontalmente a la cañería de impulsión, ya que si la conexión fuera vertical podría producirse la sedimentación de los sólidos y obturación de la descarga.

Tabla 9-80 Tipos de válvula de retención Tipo de válvula Descripción Instalación Válvula de clapeta Disponible en diámetros de hasta

0,75 m. Utilizado en todo tipo de sistemas excepto den los que requieran una válvula diferente para control del golpe de ariete o tamaño

Debe instalarse en posición horizontal. Si se coloca vertical puede producirse la sedimentación de sólidos en la parte superior de la clapeta cuando la bomba está fuera de servicio. Los sólidos pueden

Figura 9-78 Cañerías de aspiración



superior a 0.75 m. Debe incorporar un contrapeso y manivela exterior para facilitar la maniobra de cierre

penetrar la tapa de la válvula durante el arranque de la bomba impidiendo su apertura completa

Válvula cónica Utilizada en sistemas que requieran válvulas de tamaño superior a 0,75 m. o cuando se necesite un control temporizado de apertura y cierre para el golpe de ariete. Su funcionamiento es mediante pistón hidráulico.

Las válvulas y el sistema de control hidráulico son muy caros, por lo que solamente se emplean en caso de absoluta necesidad. En la posición abierta, la sección de paso es cilíndrica; en consecuencia y a fin de reducir el coste, la válvula cónica suele ser del mismo diámetro que la boquilla de la bomba, o incluso mas pequeña si existe espacio disponible para instalar las piezas de reducción y ampliación.

Válvula de disco basculante

Disponible en diámetros de hasta 1,8 m. Solamente se emplean cuando no existen válvulas de clapetas del tamaño requerido. Tiene un eje que atraviesa la sección de paso de agua.

Los trapos y otros materiales pueden engancharse en el eje e impedir su abertura. Debe instalarse únicamente cuando se precise una válvula de gran tamaño y cuando existan rejas automáticas con separación entre barras inferior a 25 mm o dilaceradores

Válvula de mariposa

Al igual que la válvula de disco basculante, funciona mediante un pistón hidráulico y tiene un eje que atraviesa la sección de paso del agua. Se emplea únicamente para el control del golpe de ariete en instalaciones de gran tamaño

Solamente deben instalarse cuando haya un desbaste o dilaceración previos

Instrumentación de las estaciones de bombeo La instrumentación de las estaciones de bombeo incluyen los controles automáticos para el funcionamiento secuencial

de las bombas, los controles manuales para el mismo propósito y las alarmas de problemas de funcionamiento. Todos los instrumentos deben instalarse en un panel de control cuyas características dependen del tipo de estación de bombeo:

Controles automáticos: el control automático de las bombas en las estaciones de bombeo de aguas residuales suele basarse, casi siempre, en el nivel del agua en la cámara de aspiración. El aspecto mas importante de cualquier sistema de control es el relativo al método utilizado para la medida del nivel del líquido en la cámara de aspiración. Los sistemas de control normalmente empleados incluyen flotadores, electrodos, tubos de burbujas, medidores sónicos y tubos de capacitancia. También se han usado sensores de diafragma. Cada uno de estos sistemas se describe en la tabla 9-81.

Tabla 9-81 Dispositivos de control del nivel de agua de las cámaras de aspiración Tipo de dispositivo de control

Descripción Instalación

Flotador Se emplean en instalaciones sencillas que requieren únicamente, control de paro y arranque. Un tipo de flotador consiste en un interruptor de mercurio situado dentro de un elemento flotante que se encuentra suspendido de la parte superior de la cámara de aspiración. A medida que asciende el líquido en esta, el flotador se va inclinando hasta cerrar (o abrir) el interruptor de mercurio

Hay interruptores de flotador que puede ejercer diversas acciones de control como por ejemplo: 1) un interruptor de mercurio que suele instalarse en estaciones de bombeo prefabricadas o pozos de bombeo de bombas sumergidas y 2) un flotador situado en una cañería que puede conectarse a un tambor con resorte por medio de un cable o cinta. Este dispositivo indica en nivel de la cámara de aspiración pero no es muy utilizado debido a que puede verse afectado por la presencia de acumulaciones de grasa dentro del tubo

Electrodo Un sistema de control mediante electrodos utiliza un conjunto de electrodos montados a diferentes cotas en la cámara de aspiración. Cuando se eleva el nivel del líquido en ésta y entra en contacto con los electrodos se activan los circuitos eléctricos

A menudo se emplean en estaciones de eyectores neumáticos en donde se emplea aire comprimido de la fase de trabajo del eyector para mantener limpio los electrodos, aunque por lo general no suelen utilizarse en las estaciones de bombeo. Las grasas y otros materiales presentes en el agua residual pueden recubrir los electrodos colocados en la cámara de aspiración, por lo que necesitan limpieza frecuente

Tubo de burbujeo

Este método es, probablemente, el mas utilizado para el control de niveles de cámaras de aspiración. Consiste en la introducción de un pequeño caudal de aire comprimido en un conducto cuyo extremo está abierto y sumergido en la cámara de aspiración. La presión a aplicar depende la altura del líquido

Como la presión diferencial existente en el tubo es pequeña, a menudo se utiliza un transmisor de nivel para amplificar la presión diferencial entre los niveles máximo y mínimo de la cámara de aspiración. Este sistema requiere poco mantenimiento, el aire comprimido mantiene el tubo libre de suciedad y de grasa. Si el tubo llegara a obturarse, puede limpiarse



sobre el extremo abierto del conducto. Esta presión indica la profundidad del líquido y sirve para controlar el funcionamiento de las bombas mediante interruptores.

aislándolo de los elementos de control e inyectando en aquél aire a presión elevada.

Medidor sónico

Se emplea para medir la distancia existente entre el medidor y la superficie del líquido en la cámara de aspiración.

La localización del medidor es importante porque la señal emitida tiene forma de cono con ángulo de 10º en el medidor. La existencia de obstrucciones dentro del cono, tales como paredes, etc., pueden falsear las lecturas. El medidor debe estar, así mismo, aislado de señales eléctricas o acústicas.

Tubo de capacitancia

Consiste en un tubo suspendido en la cámara de aspiración cuya capacitancia, medida en un circuito electrónico, es proporcional a la longitud sumergida del tubo. La señal de salida se utiliza para indicar y controlar el nivel del agua en la cámara

Pueden acumularse materiales extraños en el tubo sensor. Algunos de ellos incluyen una compensación automática para tener en cuenta la acumulación de grasa, pero son mas caros. Hasta el momento, los tubos de capacitancia no se han utilizado mucho.

Sensores de presión de diafragma

El principio de funcionamiento de los sensores de diafragma de tipo caja es muy sencillo: la caja del diafragma se fija en una posición que es el punto de referencia para las medidas. Cuando asciende el líquido por encima del diafragma, la presión que ejerce sobre el mismo comprime el aire existente dentro de un conducto cerrado conectado a un elemento sensor de la presión, dando lugar a un sistema continuo de detección del nivel

La grasa puede acumularse sobre el diafragma. Este debe de ser extraído para eliminarla y vuelto a colocar en el punto de referencia.

Controles manuales: además del control automático, las bombas deben poder ser accionadas manualmente

durante las emergencias en las que los controles automáticos no funcionan y para su mantenimiento. El control debe incluir tanto el relativo al funcionamiento a velocidad constante como a velocidad variable. El sistema de control manual debe permitir el bypass del control de paro de nivel mínimo pero la alarma correspondiente al mismo.

Alarmas: el sistema de control debe incluir alarmas. Las estaciones que no cuentan con personal permanente deben disponer de una alarma que se transmita telemétricamente, o por cualquier otro método, hasta un punto en el que haya vigilancia continua. Las alarmas deben incluir los siguientes elementos:

o Nivel máximo del agua en la cámara de aspiración o Nivel mínimo del agua en la cámara de aspiración o Fallo de las bombas en estaciones dotadas de bombas de velocidad variable o con sistema de control

complejos. La alarma de nivel máximo debe estar por encima del de arranque de la última bomba dentro de la secuencia normal de bombeo, pero por debajo del arranque de la bomba de reserva. Esta disposición permite identificar el fallo de una de las bombas de funcionamiento normal cuando se dispone de la de reserva. La alarma de nivel mínimo se dispone por debajo del punto de paro de la primera bomba de la secuencia para indicar un mal funcionamiento del sistema de control del bombeo. Normalmente, la instalación debe incorporar un dispositivo de paro de emergencia por bajo nivel del agua que deja fuera de servicio todas la bombas antes de que vacíen la cámara de aspiración. Este sistema de paro debe situarse por debajo de la alarma de nivel mínimo. Las alarmas de fallo de las bombas suelen instalarse, normalmente, para las de velocidad variable, indicando un mal funcionamiento de los controles de velocidad. El origen de la señal depende del tipo de bomba de velocidad variable de que se trate.

Diseño del panel de control: En las estaciones de gran capacidad debe instalarse un panel de control en el que se centralice la instrumentación del control. El panel debe incluir los siguientes elementos:

o Indicador del nivel del agua de la cámara de aspiración o Indicador de funcionamiento del medidor de caudal o Interruptores para la selección de la secuencia de bombeo que permita fijar el orden de

funcionamiento de las bombas normales y la de reserva o Controles de funcionamiento para cada bomba incluyendo:

Interruptor de tres posiciones: manual, paro y automático Señales luminosas indicadoras de funcionamiento o parada Controles de la velocidad variable si las bombas son de este tipo:

Control manual – automático de velocidad Indicador de la velocidad

Amperímetro para cada bomba o medidores de potencia consumida o Panel indicador de alarmas en que se señalen las alarmas individuales o los mandos de las señales

acústicas



El número de elementos a incluir en el panel de control depende de la complejidad y las necesidades de cada sistema.

Medida de caudal: en ocasiones, las estaciones de bombeo incorporan medidores de caudal. Para bombas de velocidad constante, el sistema de medida mas sencillo es el luso de contadores horarios en los arrancadores de los motores. Puesto que este tipo de bombas tiene una descarga relativamente constante, si se conoce el tiempo de funcionamiento puede tenerse una estimación bastante aproximada del volumen bombeado. Es estaciones de gran capacidad, la medida de caudal se lleva a cabo mediante medidores tipo Venturi o tubos de flujo. En la actualidad es raro utilizar medidores Venturi porque no suele disponerse de espacio suficiente para el tramo recto de cañería donde ha de alojarse el medidor. Los tubos de flujo son de uso mas común debido a que requieren tramos rectos antes del medidor de muy poca longitud.

Selección de los puntos de control de las bombas En esta sección se trata la selección de los puntos de control para las bombas de velocidad constante, de dos velocidades

y de velocidad variable. En la cámara de aspiración se requiere un intervalo de control de por lo menos 1 m entre los niveles máximo y mínimo. La distancia entre los puntos de control, arranque y paro de las bombas sucesivas debe ser, como mínimo de 75 cm y preferiblemente de 150 cm. Esta separación mínima es necesaria para permitir la histéresis en el sistema de control y asegurar la repetibilidad de los componente del mismo:

Bombas de una o dos velocidades: ambos tipos de bombas son las de control mas sencillo, requiriéndose únicamente un conjunto de interruptores que permitan el paso de un escalón al siguiente.

Bombas de velocidad variable: Las bombas de velocidad variable requieren controles mas complejos que las de una o dos velocidades. Los dos tipos básicos de control de velocidad variable son los de niveles variables y de nivel constante. El primero es el mas sencillo. Consiste en establecer una banda en la cámara de aspiración que produzca una señal y controle la velocidad de cualquiera de las bombas de velocidad variable que se encuentre en funcionamiento. Las bombas trabajan a su máxima velocidad para el nivel mínimo. Las bombas se arrancan y para por medio de interruptores de nivel, independientemente de la banda de control de velocidad. El sistema de control de nivel constante se usa en ocasiones, cuando un sistema determinado requiere una banda de control estrecha. En un sistema de nivel constante, se selecciona un nivel de la cámara de aspiración y cuando el líquido se eleva o desciende respecto al mismo, se produce una señal de control de la velocidad que aumenta o disminuye de la de la bomba. Cuanto mas se desvía el nivel del líquido del prefijado, mas fuerte es la señal para variar la velocidad. Si la bomba funciona a plena velocidad y el nivel del agua continúa ascendiendo, se pone en marcha una segunda bomba. Cuando el nivel comienza a descender, la bomba se para al alcanzar su velocidad mínima de funcionamiento.

Equipo eléctrico Las estaciones de bombeo funcionan con energía trifásica y en la actualidad, para las de mediano y gran tamaño, suele

exigirse que tengan grupos electrógenos de reserva. Las estaciones cuyo funcionamiento es esencial, pueden tener dos alimentaciones independiente de distintos

transformadores de la compañía eléctrica. Si una de ellas falla, la otra entra en servicio automáticamente. Si no es posible conseguir dos alimentaciones independientes, debe suministrarse energía mediante uno o mas grupos electrógenos dimensionados para arrancar y hacer funcionar suficientes bombas para evitar la inundación de la estación de bombeo.

Los arrancadores de los motores y los controles deben situarse en un conjunto de control situado a nivel del terreno en una zona seca. Esta forma de situación es mas segura y satisfactoria que los tableros de pared con arrancadores individuales e interruptores de servicio que se utilizaban antes.

Las estaciones de gran tamaño deben disponer de una cámara independiente para la instrumentación eléctrica, en donde se sitúen los arrancadores de los motores, interruptores, medidores, instrumentos y el cuadro de control, dotada de ventilación y calefacción adecuadas.

Todos los equipos eléctricos y de iluminación de la cámara de aspiración deben ser antideflagrantes para evitar el peligro potencial de explosión de los vapores y gases arrastrados por el agua residual. Debe instalarse una iluminación adecuada y un número conveniente de tomas de corriente, asimismo antideflagrantes.

Calefacción y ventilación La inclusión de instalaciones de ventilación y calefacción es normal en las grandes estaciones de bombeo. Todas las estaciones de bombeo, excepto las situadas en climas cálidos, deben tener una instalación de calefacción con

control automático para evitar el riesgo de congelación del agua durante la época fría. En la cámara seca de estaciones con personal permanente es conveniente tener una temperatura agradable mientras que en aquellas que no tienen personal permanente la temperatura puede ser algo inferior.

Bajo ciertas condiciones de temperatura, es posible que se produzcan condensaciones en las paredes, e incluso nieblas en la cámara de aspiración y, en los climas mas fríos, puede llegar a formarse hielo en la parte del piso superior y las puertas de acceso. En consecuencia, en climas fríos se recomienda la utilización de unidades de calefacción en la cámara de aspiración, dotadas de sistemas termostáticos de control antideflagrantes.

El tipo de instalación de calefacción a utilizar depende del tamaño de la estación y de las necesidades caloríficas. En grandes estaciones se suelen emplear radiadores alimentados con agua caliente mediante calderas que use gas u otro



combustible. En las estaciones pequeñas la cámara seca puede calentarse por medio de convectores de aire caliente alimentado con gas u otros combustibles que incluyen un doble circuito para calentar independientemente la cámara de aspiración.

La instalación de ventilación de las cámaras de aspiración y seca debe estar totalmente independizadas y todos los orificios de paso de cañerías o cables eléctricos han de estar perfectamente impermeabilizados para conseguir la estanqueidad a prueba de gas.

Es esencial disponer de una buena ventilación de aire exterior. Las cámaras de aspiración deben incluir sistemas de ventilación mecánica bien distribuidos por todo el recinto, la salida del aire forzado se realiza por la parte superior de la estación. El sistema debe ser capaz de mantener una presión positiva en la cámara de aspiración con el fin de reducir al mínimo la entrada a la misma de aire procedente de las alcantarillas. La salida del aire de la cámara debe situarse a la entrada de la alcantarilla.

En estaciones de pequeño tamaño sin personal permanente, es normal disponer de un sistema de ventilación intermitente. En las grandes estaciones o en la que existan rejas de limpieza automática u otros equipos de costo elevado, es conveniente que la ventilación sea continua para evitar atmósferas húmedas que suelen producirse en las cámaras de aspiración dotadas de ventilación intermitente. Se recomienda, y los organismos de control lo están exigiendo en la actualidad, que el caudal de aire de ventilación a suministrar a la cámara de aspiración basado en el volumen existente por debajo del terreno y por encima del nivel mínimo de líquido en la cámara, se tal que se produzca:

Un mínimo de 30 renovaciones por hora si el ventilador no funciona continuamente Un mínimo de 12 renovaciones por hora si el funcionamiento es continuo

La cifra de 30 renovaciones por hora para funcionamiento intermitente, es necesaria por razones de seguridad. Este caudal de aire produce un rápido arrastre o la dilución de los gases y aire contaminado acumulados en la estación.

Cuando la estación tenga un sistema de ventilación intermitente es conveniente equipar al ventilador con un motor de dos velocidades, de manera que sea posible funcionar en continua a baja velocidad, utilizando la alta únicamente cuando se visite la estación. En zonas urbanizadas esta modalidad de funcionamiento puede producir una dilución suficiente de los malos olores de forma que cuando se ponga en marcha el ventilador a velocidad alta no se produzca una descarga masiva de aquellos. El interruptor de maniobra del ventilador debe colocarse junto a la puerta de acceso, como precaución adicional, el ventilador puede estar interconectado con el interruptor de la luz.

La cámara seca debe tener buena ventilación, ya sea con ventiladores que fuercen el aire o lo extraigan, o bien mediante ambos métodos, lo cual se utiliza en grandes estaciones. Se recomienda, y la mayor parte de los organismos así lo exigen en la actualidad que el caudal de aire de ventilación basado en el volumen de la cámara seca situado por debajo del terreno, sea tal que produzca:

15 renovaciones de aire por hora cuando el ventilador funcione intermitente 6 renovaciones de aire por hora cuando el ventilador funcione continuamente

Las estaciones con personal permanente suel disponer, normalmente, de ventilación continua. Es posible que se requiera una capacidad adicional de ventilación para eliminar el calor generado por las bombas, los

equipos eléctricos y artefactos de iluminación. En ciertos casos, dependiendo del tipo de equipos utilizados, puede pensarse en aprovechar ese calor para la calefacción. En cualquier caso, el sistema de ventilación ha de tener un control automático para procurar una refrigeración adecuada cuando la temperatura ambiente se eleve por encima de niveles aceptables.

Instalaciones de agua Es recomendable que todas las estaciones de bombeo cuenten con suministro de agua potable. Esta es utilizada para el

aseo y como agua de soporte a aquellas bombas, que incluyen juntas hidráulicas. Como mínimo, se recomienda instalar un sanitario con agua caliente para el aseo del personal. Asimismo, deben instalarse tomas de agua para manguera, tanto en la cámara de aspiración como en la seca, para la limpieza de los suelos, así como bocas incongelables para el riego del césped.

Cuando las normas de edificación lo permitan y la presión del agua sea suficiente, es posible utilizar un único suministro de agua a partir de la red de distribución urbana, el cual mediante un sistema de control de retorno del agua, permita su empleo en todos los usos comentados. Como opción se puede realizar un tanque de reserva para suministrar agua a la estación de bombeo.

En estaciones con personal permanente es necesario disponer de cuartos de baño y vestuarios. Ambas instalaciones deben situarse a nivel del terreno de manera que puedan descargar directamente a la cámara de aspiración.

Drenaje de las estaciones de bombeo El drenaje del suelo se lleva a cabo desde el sumidero de la cámara seca por bombeo mediante bombas de

funcionamiento automático, a la cámara de aspiración. Es conveniente instalar dos bombas por razones de seguridad de funcionamiento. El control de las mismas incluye una alarma de nivel máximo situada entre los puntos de arranque de la bomba principal y la de reserva que alerte del fallo de la primera.

Se recomienda especialmente que las bombas del sumidero sean del tipo inatascable y no bombas normales de drenaje, ya que es muy frecuente la extracción de bolas de trapos acumulados en las bombas y su envío al drenaje. La descara de las bombas debe incorporar dos válvulas antirretorno colocadas en serie y debe verter a la cámara de aspiración por encima del máximo nivel esperable en la misma. Ello se hace así para minimizar la posibilidad de inundación de la cámara seca por inversión del flujo desde la aspiración.



Proyecto de estaciones de bombeo prefabricadas Las estaciones de bombeo prefabricadas son de uso corriente en redes de alcantarillado en las que los caudales son

pequeños y la necesidad de protección de las bombas frente a atascamientos son mínimas. En este apartado se estudian los detalles de diseño de tres tipos de estaciones prefabricadas:

Las de eyectores neumáticos Las de bombas sumergidas Las de cámara seca

Características físicas Las estaciones de bombeo prefabricadas son suministradas en módulos que incluyen todos los componentes y elementos

ya montados y acoplados. Una vez en obra, se interconectan los módulos, se instalan las cañerías y conexiones eléctricas y la estación está lista para entrar en servicio. Como este tipo de estaciones suele usar, normalmente, como cámara de aspiración una boca de registro, no es posible incorporar rejas ni dilaceradores.

La mayoría de las estaciones prefabricadas son lo suficientemente pequeñas para que la integren los siguientes módulos: La estación propiamente dicha, que aloja bombas, controles y equipos auxiliares El módulo de acceso que sobresale del terreno.

Para evitar inundaciones, la parte superior de este último módulo debe situarse por encima del máximo nivel de inundación de la zona circundante. Las estaciones prefabricadas de gran tamaño suelen constar de tres o cuatro módulos. En algunas de las mas grandes, en cada módulo independiente se instalan una bomba, el motor y las cañerías correspondientes, el sistema de control se sitúa en otro módulo y hay dos módulos de acceso.

El módulo de acceso suele consistir en un tubo de diámetro mínimo de 1 m, aunque puede necesitarse diámetros mayores para permitir la extracción de los equipos instalados. Este módulo puede proporcionar, asimismo, la ventilación de la estación.

El cuadro de control eléctrico se sitúa en el módulo de bombeo, pero el medidor eléctrico y el interruptor general se colocan en un poste adyacente a la estación, la cual recibe la alimentación de energía por medio de una conexión aérea o subterránea al módulo de acceso.

Las estaciones de bombeo prefabricadas suelen construirse en chapa de acero reforzadas con perfiles. Sin embargo, también pueden suministrarse en placas de hormigón armado o de fibra de vidrio, que son materiales que resisten mejor la corrosión y cuyo uso es recomendable cuando los suelos tengan carácter de corrosivos. Las estaciones metálicas incorporan ánodos de magnesio ligados eléctricamente a la clapa y enterrados en la parte exterior a la estación para conseguir la protección catódica. En lo que sigue se describen los tres tipos de estaciones previamente mencionadas

Estaciones de bombeo de eyectores neumáticos

Las estaciones de eyectores neumáticos se suelen utilizar para el bombeo de caudales pequeños originados en zonas

aisladas. La capacidad de los eyectores disponible oscila entre 0,005 y 0,0125 m3/seg., siendo muy raro encontrar unidades de capacidad superior a 0,2 m3/seg. En la figura 9-82 se muestra una estación de bombeo típica con eyectores neumáticos de la cual analizaremos los siguientes ítem:

Elementos de la instalación: como puede verse en la figura 9-82, es una instalación con dos unidades y tiene un conducto de aspiración único que sirve a ambas. El sistema de aire consta de dos compresores y un calderín. Las estaciones de este tipo pueden suministrarse con entradas individuales desde la boca de registro a las dos unidades. La cámara de aspiración ilustrada en la figura 9-82 es una boca de registro convencional de hormigón y la cañería de entrada está dispuesta con una inclinación hacia la estación. La entrada a la estación debe estar por debajo de la solera de la boca de registro a fin de tener carga suficiente para que el flujo del agua pueda abrir completamente la válvula de retención de la entrada. El tamaño de la cañería de alimentación debe ser uniforme en toda su longitud, ya que si se utilizaran dos tamaños distintos, con un reductor de acoplamiento enterrado, podría producirse la obturación de la cañería. Al contrario de lo que ocurre con las bombas centrífugas, las cuales pueden crear una presión adicional sobre la cañería de aspiración parcialmente obstruida, un eyector depende de la carga estática para eliminar la obturación. El punto con mayor posibilidad de obturación está en la cañería de entrada y conexión con la boca de registro, por lo que a menudo se suele instalar una pieza en T en la cañería, disponiendo una segunda conexión a cota superior con la boca de registro, de manera que en caso de que se obture la inferior, la superior permite la alimentación de la estación de bombeo. Este método de conexión se ilustra en la figura 9-82 y se recomienda su utilización cuando la unión entre la boca de registro y la estación se realiza con una cañería.

Compresores de aire: los compresores pueden descargar el aire directamente en la cámara receptora del agua residual, o bien el aire puede almacenarse en un calderín hasta que produzca el bombeo. Los compresores de conexión directa ha de ser de mayor capacidad, ya que deben suministrar la totalidad del aire necesario para llenar la cámara durante el ciclo de descarga, mientras que los sistemas con calderín puede suministrar el aire necesario durante los ciclos de llenado y descarga. Este sistema tiene la ventaja adicional de reducir la



frecuencia de arranques del motor del compresor debido a que el aire se almacena a presión mas elevada que la necesaria para la descarga del agua residual. En las estaciones de bombeo con eyectores se utilizan compresores de aire de pistón o rotativos. Son preferibles los primero ya que los rotativos tiene que estar permanentemente lubricados y con un mayor control.

Control del sistema: el control del funcionamiento de los eyectores neumáticos se lleva a cabo mediante flotadores o electrodos. Ambos elementos deben situarse en zonas accesibles para su limpieza. Los sensores captan el nivel máximo del agua residual en la cámara receptora e inicial el ciclo de descarga, el cual puede finalizarse por:

o Medio de sensores de nivel mínimo del agua residual en la cámara o Mediante un temporizador que desconecte la alimentación de aire y permite su salida una vez que se

haya vaciado la cámara Este tipo de estaciones puede sufrir sobrecalentamientos. Al contrario de lo que sucede en un sistema de bombeo en el

que la energía mecánica es transferida al fluido que se bombea, el calor de compresión que se desarrolla en un eyector neumático es disipado al ambiente de la estación, a través del compresor y del calderín, cuando este existe. En consecuencia, el ventilador debe tener un control termostático para evitar el sobrecalentamiento o bien el extractor de aire debe estar interconectado con el compresor.

Estaciones de bombeo de bombas sumergibles Las estaciones de bombeo con bombas sumergibles inatascables están en el mercado desde hace muchos años, aunque

su uso en redes de alcantarillado ha estado restringido debido a los problemas de mantenimiento que conllevas. Sin embargo, este tipo de bombas ha experimentado una notable mejora al incorporar un sistema de fijación que permite su extracción sin afectar a la cañería de descarga, mediante una guías a lo largo de las cuales se desliza la bomba. En la figura 9-83 se muestra una instalación típica.

Este tipo de estación puede suministrarse prefabricada en chapa de acero, aunque lo normal es instalar los equipos de bombeo y auxiliares en pozos convencionales de mampostería u hormigón. Las válvulas pueden instalarse en la misma cámara

Figura 9-82 Estación de bombeo prefabricada con eyectores neumáticos



de bombeo, pero el mantenimiento es mas sencillo cuando se colocan en una cámara independiente como se muestra en la figura 9-83.

Estaciones de bombeo de cámara seca

En la figura 9-73 se ilustra una estación de bombeo de cámara seca de aspiración consistente en una boca de registro de

dimensiones superiores a las normales con solera inclinada. El nivel mínimo del agua se sitúa a una coata tal que no pueda entrar aire en la cañería de aspiración por formación de vórtices. La parte superior de la voluta se encuentra por debajo del nivel mínimo del agua para eliminar la posibilidad de que el aire agarrote la bomba. Debe procurarse un volumen de almacenamiento adecuado en la cámara de aspiración entre los niveles máximo y mínimo para evitar el arranque frecuente de las bombas.

Cada bomba tiene su cañería de aspiración independiente. Se instalan válvulas de aislamiento entre la bomba y la cámara de aspiración, así como a continuación de la válvula de retención en la descarga, a fin de poder dejar la bomba fuera de servicio para su mantenimiento. Las válvulas de retención utilizadas son, normalmente, del tipo de resorte, ya que el espacio disponible en la estación es limitado.

Una variante de este diseño consiste en utilizar bombas inatascables autocebantes en lugar de las centrífugas de voluta. Con esta variante es posible reducir la profundidad de la estación. Las bombas autocebantes tienen juntas mecánicas para minimizar la entrada de aire cuando no están en funcionamiento y es preciso incluir un dispositivo de venteo del aire evacuado de la cañería de succión durante el ciclo de cebado.

Proyecto de cañerías de impulsión En la red de alcantarillado la cañería que debe recibir el agua residual descargada por una estación de bombeo y

transportarla bajo presión hasta el punto de descarga, el cual puede ser una colector de circulación por gravedad, un tanque de almacenamiento o una planta de tratamiento, recibe el nombre de cañerías de impulsión. La presión interna en una cañería de impulsión es máxima en el tramo adyacente a la estación de bombeo y disminuye hasta la presión atmosférica en el punto de descarga o cerca de ella. La cañería de impulsión es parte integrante del sistema de bombeo y su diseño está necesariamente influido por el número, tamaño y tipo de bombas existentes en la estación de bombeo.

Otros factores que tienen influencia sobre el diseño de las cañerías de impulsión son la necesidad de velocidades mínimas del agua residual y la capacidad para resistir las presiones internas máximas incluyendo las temporales debidas al golpe de ariete. También es preciso considerar las sobrecargas exteriores debidas a los suelos y otras que actúan sobre la cañería. Estudiaremos el diseño hidráulico de las cañerías de impulsión y de los elementos asociados a las mismas o instalaciones complementarias como también la teoría, análisis y control del golpe de ariete, mientras que los aspectos estructurales deben tomarse de conocimientos previos o de otra bibliografía.

Dimensionamiento hidráulico de las cañerías de impulsión El dimensionamiento hidráulico de una cañería de impulsión que trabaje en condiciones normales, implica la

determinación del diámetro del conducto que cumpla con los requerimientos establecidos sobre la velocidad de circulación y por el funcionamiento de las bombas. El comportamiento hidráulico de una cañería de impulsión puede representarse mediante una curva del sistema tal como se ha visto en el capitulo 7.

Figura 9-83 Estación de bombeo con bombas sumergidas



Determinación del diámetro de la cañería de impulsión: Teóricamente el diámetro mas económico debe basarse en los costos de energía de bombeo, junto con los de amortización de la inversión correspondiente a la cañería de impulsión y estación de bombeo. En la práctica, la selección del diámetro viene gobernada normalmente, por la:

o Necesidad de mantener una velocidad adecuada para el caudal mínimo, que evite la deposición de sólidos.

o Necesidad de mantener una velocidad capaz de arrastrar los sólidos depositados al menos una vez al día.

En consecuencia, la selección de las bombas depende de si estas son capaces de descargar los caudales deseados a las alturas manométricas necesarias según el diámetro de la cañería de impulsión. Sin embargo, ocurre que, a menudo, no es factible dimensionar las cañerías de impulsión de gran longitud, basándose, exclusivamente, en las limitaciones de la velocidad para el caudal mínimo. En tales casos, lo mas conveniente es elegir el tamaño mas económico de la cañería que consiga velocidades de flujo adecuadas para el intervalo total de caudales, actuales y futuros y, a continuación, seleccionar las bombas. Una vez efectuado este predimensionamiento, puede resultar que sea necesario emplear un diámetro mayor, para reducir las pérdidas por rozamiento, de manera que pueda hacerse una selección mas adecuada de las bombas. Cuando la diferencia entre los caudales iniciales y futuros se considerable, puede ser necesario instalar, en la primera etapa, una cañería de impulsión de menor tamaño e instalar mas adelante una segunda de mayor tamaño. Las cañerías de impulsión suelen tener, por lo general, diámetros superior a 200 mm. En algunos casos pueden utilizarse cañerías de 150 mm en estaciones de bombeo de pequeño tamaño y cañerías de impulsión de poca longitud y de 100 mm en estaciones de eyectores de pequeño tamaño.

Pérdida de carga en las cañerías de impulsión: Como hemos visto anteriormente, la curva del sistema es una representación gráfica de la altura manométrica total, es decir la altura geométrica mas las pérdidas de energía cinética, respecto a los caudales correspondientes. Las pérdidas por rozamiento en las cañerías de impulsión suelen determinarse mediante la fórmula de Hazen-Williams. Se recomienda utilizar los siguientes valores de C para las condiciones de proyecto:

o C = 100 para cañerías de fundición y fundición dúctil sin revestimiento o C = 120 para cañerías de fundición y fundición dúctil con revestimiento de cemento, cañerías de

hormigón armado y pretensado, cañerías de acero de diámetro igual o superior a 500 mm con revestimiento bituminoso o mortero de cemento y para cañerías de plástico.

Las pérdidas singulares producidas por válvulas y piezas especiales, embocaduras y descargas, pueden calcularse utilizando las tablas vistas en el capítulo 7. Las pérdidas singulares, junto con las debidas al rozamiento constituyen las pérdidas de energía cinética en la cañerías de impulsión. En muchos casos, una bomba diseñada para funcionar satisfactoriamente de acuerdo con la curva del sistema para el caudal del proyecto, puede cavitar durante el inicio de su puesta en servicio. La cavitación se produce debido a que las pérdidas de carga de una cañería de impulsión nueva son menores que las calculadas para el futuro. En consecuencia, es necesario obtener las curvas del sistema tanto para la cañería vieja como para la nueva. Para las cañerías de fundición dúctil y hormigón, se recomienda unas un valor de C = 140, y para las cañerías nuevas de plástico un C = 150 o superior.

Velocidades de la cañería de impulsión: Los criterios relativos a las velocidades de las cañerías de impulsión han sido desarrollados basándose en que los sólidos no se depositan cuando la velocidad de circulación es igual o mayor de 0,6 m./seg. A velocidades inferiores o cuando se produce el paro de las bombas, los sólidos se sedimentan, por lo que es preciso conseguir una velocidad igual o superior a 1,1 m./seg. para arrastrarlos de nuevo. En las estaciones de bombeo de tamaño medio o pequeño, que sirven únicamente a parte de una zona dotada de red de alcantarillado en donde el caudal puede ser bombeado de forma intermitente, las velocidades deseables en las cañerías de impulsión varían entre 1,1 m./seg. a 1,5 m./seg. Una estación pequeña suele tener dos bombas, una de las cuales está de reserva, de manera que el caudal de bombeo es el máximo o nada. En estaciones de pequeño tamaño que funcionan intermitentemente, los sólidos del agua residual se depositan en la cañería de impulsión cuando se para el bombeo. Es deseable que la velocidad de circulación sea de 1,1 m./seg., para asegurar el arrastre de los sólidos depositados. En una estación pequeña que conste de dos bombas, debe ser posible el funcionamiento simultáneo de ambas, aún cuando solo se precise una de ellas para bombear el caudal de proyecto. Si los caudales son demasiado pequeños para garantizar que la velocidad de circulación para el caudal de proyecto sea de 1,1 m./seg., se pueden seleccionar las bombas de manera que su funcionamiento conjunto produzca la velocidad mínima deseada de 1,1 m./seg. En este caso, las dos bombas se hacen funcionar simultáneamente mediante control manual una vez por semana durante un tiempo suficientemente largo para limpiar la cañerías. Las estaciones de este tipo de mayor tamaño pueden tener tres o cuatro bombas iguales, de las cuales una está de reserva. En una estación de tres bombas, se pueden conseguir velocidades en una cañería de impulsión de aproximadamente 0,9 m./seg. y 1,5 m./seg. con una o dos bombas en funcionamiento, respectivamente. En estaciones con cuatro bombas se pueden obtener velocidades del orden de 0,7 m./seg., 1,2 m./seg. y 1,7 m./seg. con una, dos o tres bombas en funcionamiento. Estas velocidades tienen en cuenta la ligera reducción de la



capacidad de las bombas que se produce por razón de las mayores pérdidas por fricción resultantes al aumentar los caudales. En la tabla 9-84 se indican las capacidades necesarias de las bombas para mantener velocidades de 0,6 m./seg. y 1,1 m./seg. en cañerías de impulsión de 150 a 300 mm. de diámetro.

Tabla 9-84 Caudal de las bombas para mantener las velocidades mínimas en las cañerías de impulsión

Caudal de la bomba (m3/h) Diámetro de la cañería de impulsión (mm) V = 0,6 m/s V = 1,1 m/s

150 0,011 0,019 200 0,020 0,035 250 0,031 0,054 300 0,045 0,076

El proyecto de una cañería de impulsión se torna mas complicado en las estaciones que hayan de prestar servicio a toda, o una parte importante de una cuenca en donde se requiera bombear continuamente y ajustándose lo mas posible al caudal de la misma. Estas estaciones pueden incluir bombas de diversas capacidades, algunas de ellas de velocidad constante y otras de velocidad variable. Las bombas deben funcionar en continuo y han de dimensionarse de forma tal que puedan impulsar, en funcionamiento aislado o simultáneo, toda la gama de caudales, iniciales y futuros. El intervalo de valores de los caudales de descarga y las velocidades necesarias para conseguir los indicados en la tabla 9-84 pueden ser del orden 7 a 1 u 8 a 1. Si se fija la velocidad máxima en el conducto de impulsión en 1,8 m-/seg., el caudal mínimo inicial daría lugar a una velocidad de, únicamente 0,22 m./seg. a 0,26 m./seg. Si el bombeo ha de hacerse en continuo, deberá instalarse una bomba de esta capacidad. Como quiera que tal velocidad no segura la autolimpieza de la cañería se producirá cierta deposición de sólidos, aunque ello puede ser aceptable por las siguientes razones:

o A caudal mínimo, el contenido de sólidos y arenas del agua residual es también mínimo y solo se depositarán estas últimas.

o Para los caudales de punta diarios, el caudal de bombeo será de 1,5 a 2 veces el medio diario, dando lugar a velocidades que arrastraran cualquier depósito de sólidos que se haya producido durante el período de caudal mínimo.

o La solución alternativa de instalar dos cañerías de impulsión es mas cara y desventajosa desde el punto de vista de funcionamiento, por lo que debe evitarse siempre que sea posible.

o Las estaciones de bombeo y cañerías de impulsión diseñadas de acuerdo con los principios expuestos han funcionado satisfactoriamente.

Otras consideraciones relativas al proyecto Una vez determinado el diámetro de la cañería de impulsión, hay que solucionar un conjunto de detalles para asegurar

que aquella funcionará satisfactoriamente. Se debe hacer una selección cuidadosa del tipo de material a utilizar, definir el trazado de la cañería y proyectar las

instalaciones complementarias de la misma. Materiales de las cañerías: Los materiales a utilizar en las cañerías de impulsión deben ser adecuados al suelo

en que han de colocarse y ser capaces de resistir la corrosión interna que pueda originar el agua residual a transportar. En la tabla 9-85 se indican algunos de los materiales de uso mas generalizado en las cañerías de impulsión.

Tabla 9-85 Materiales empleados en loas cañerías de impulsión

Material Intervalo normal de tamaño (mm) Tipo de Junta Observaciones

Fibrocemento 100 – 1050 Manguito Puede ser susceptible al ataque por suelos o aguas agresivas

Fundición Presión o mecánica

De uso muy extendido en el pasado hasta diámetros de 600 mm. Ha sido reemplazada por la fundición dúctil

Fundición dúctil 100 – 1350 Presión o mecánica

Puede requerir protección contra suelos o aguas agresivas

Plástico reforzado con fibra de vidrio

100 – 1350 Presión o manguito

Muy resistente a la corrosión

Cloruro de polivinilo (PVC)

100 – 300 Presión Muy resistente a la corrosión

Hormigón pretensado con camisa de chapa

400 – 3600 Presión con aro de acero

Puede ser susceptible al ataque por suelos o aguas corrosivas

Acero 500 – 3600 Manguito Debe recubrirse internamente



con material bituminoso o mortero de cemento y protegerse exteriormente contra la corrosión. Ha sido reemplazado en gran medida por la fundición dúctil y el hormigón pretensado

Recubrimiento: Las cañerías de impulsión suelen construirse normalmente, a profundidades relativamente

pequeñas. Se recomienda disponer un recubrimiento mínimo de 90 cm. para minimizar la sobrecarga por impacto, aunque es deseable que el valor adoptado sea algo superior. Las cañerías deben colocarse a una profundidad tal que no se vean afectadas por las heladas, en climas fríos, y permita evitar interferencias con otros servicios, actuales o futuros. Las normas locales o regionales suelen especificar la distancia mínima entre conducciones de agua potable y cañerías de impulsión y alcantarillas.

Anclaje: Las cañerías de impulsión han de anclarse para resistir los empujes que se producen en ciertos puntos tales como cambios de dirección, codos y conexiones con ramales. La magnitud de los empujes se calculan mediante fórmulas bien conocidas que pueden encontrarse en libros de texto de hidráulica o mecánica. El anclaje necesario puede conseguirse mediante la instalación de juntas reforzadas o macizos de hormigón. El proyecto de los anclajes de los componentes de las cañerías de impulsión debe basarse en presiones superiores al menos al 25% de la máxima que se produce al pararse el bombeo mas la producida por el golpe de ariete con un coeficiente de seguridad adecuado. Las especificaciones de las cañerías deben estar de acuerdo con el diseño para evitar la posibilidad de especificar presiones de prueba superiores a las que son capaces de resistir los anclajes, incluso cuando la presión nominal de la cañería comercial utilizada sea mucho mayor que la presión de servicio. Para resistir empujes horizontales se recomienda utilizar juntas flexibles autorreforzadas, o bien mediante varillas y abrazaderas. Cualquiera de ellas es efectiva siempre que sus componentes sean de materiales resistentes a la corrosión o estén protegidos contra ella mediante aplicación de recubrimientos asfálticos u otros retardadores de la corrosión. En la figura 9-86 se muestran algunos ejemplos de juntas reforzadas.

En el pasado, el sistema mas empleado para resistir los empujes horizontales era el empleo de macizos de anclaje de hormigón en los que se embebía la pieza para empotrarla en la zanja. Si se utiliza este método de anclaje, debe especificarse claramente en los planto. En la figura 9-87 se muestra un macizo de anclaje típico. A partir del desarrollo de juntas reforzadas de gran fiabilidad, los macizos de anclaje están cayendo, progresivamente en desuso. De hecho, en algunos casos, el empleo de macizos de anclaje no es recomendable o posible. La capacidad resistente del terreno puede no ser fiable debido a que el mismo sea de mala calidad, como ocurre en el caso de zonas de relleno o capa freática elevada. También existe la posibilidad de que la capacidad portante del suelo pueda verse reducida por excavaciones futuras que puedan realizarse próximas a la cañería de impulsión.

Figura 9-86 Ejemplos de Juntas reforzadas



El funcionamiento satisfactorio de las juntas reforzadas depende de la resistencia de fricción existente entre la cañería y el suelo, mientras que el de un macizo de anclaje depende de la capacidad portante del suelo en el que se construye. En consecuencia, es necesario disponer de buena información sobre las características del suelo de la zona y acudir a un experto en geotecnia cuando se requiera el uso de anclajes. Los codos verticales, en los que el empuje que se produce sobre la cañería es, asimismo vertical, deben evitarse siempre que sea posible. Si ello no es así, la pieza especial debe sujetarse mediante juntas reforzadas o macizos de anclaje de hormigón. El macizo de anclaje depende, únicamente, de su propio peso para resistir el empuje. Si el macizo está situado por debajo del nivel de la capa freática, solo debe contarse con el peso efectivo del hormigón sumergido.

Reducción de la turbulencia en la descarga: Debe prestarse especial atención a la disposición horizontal y vertical del extremo de descarga de la cañería de impulsión para minimizar la turbulencia y la liberación resultante de sulfuro de hidrógeno, el cual no solamente produce malos olores, sino que puede ser oxidado a ácido sulfúrico, que puede atacar el hormigón y mortero de cemento de la obra de fábrica de la descarga e, incluso en ciertos casos, a la alcantarilla aguas abajo. Esta situación puede agravarse si se produce un almacenamiento prolongado del agua residual en la cámara de aspiración y cañería de impulsión. Un método muy utilizado para reducir la turbulencia consiste en situar a la misma cota las claves de la cañería de impulsión y de la alcantarilla, en la boca de registro donde se verifica la descarga. En estos casos, la solera de la boca de registro debe tener una ligera inclinación entre las correspondientes de la cañería de impulsión y de la alcantarilla. Si la velocidad del agua en la cañería de impulsión es superior a 2 m./seg., o si existe mas de una cañería de impulsión, puede ser necesario proyectar una sistema de descarga especial para reducir la turbulencia, así como un elemento disipador de energía. Si la cota de implantación de la alcantarilla está bastante por debajo de la cañería de impulsión, especialmente cuando está sobre roca, la cañería puede acabar en una boca de registro de profundidad normal y conectarse con la alcantarilla mediante un conducto por gravedad de corta longitud y un pozo de caída convencional. Si la conexión debe hacerse a una boca de registro u otra estructura existente, puede utilizarse un sistema de caída interna o controlada, cuando sea posible. Como precaución adicional contra los problemas que puede crear el sulfuro de hidrógeno, especialmente en climas cálidos, puede ser conveniente sellar hidráulicamente mediante un sifón el extremo de descarga de la cañería de impulsión. La alcantarilla puede sellarse colocando la clave de la cañería a la misma cota que la solera de la alcantarilla, haciendo que la solera de la boca de registro tenga una inclinación ascendente desde el extremo de la descarga hacia la alcantarilla. El sistema de sellado puede hacerse también utilizando accesorios de la cañería

Elementos complementarios de la cañería de impulsión Los elementos complementarios de uso mas común incluyen las purgas, bocas de registro y válvulas de purga y

admisión de aire. Purgas: Una purga es una salida controlada de una cañería dispuesta de tal modo que puede utilizarse para

drenarla o inyectar agua a presión para su limpieza. Las cañerías de impulsión no requieren, normalmente, la instalación de purgas. Sin embargo, cuando exista un tramo deprimido suficientemente largo entre dos puntos altos, puede ser conveniente instalar una purga que permita el drenaje de la cañería y el bombeo del agua extraída.

Figura 9-87 Anclajes con macizos de hormigon



Una purga suele consistir en una conexión provista de válvula situada en una boca de registro construida en un punto bajo y que descarga a un pozo o arqueta que puede servir como pozo de bombeo para una bomba portátil. El tamaño de la purga no suele ser inferior a 150 mm, pero si es posible debe permitir el establecimiento de velocidades suficientes del agua en la cañería de impulsión que permitan su limpieza.

Válvulas de purga y admisión de aire: Las cañerías de impulsión suelen construirse, normalmente, a profundidades por debajo del nivel del terreno. Esta práctica produce, a menudo, la existencia de puntos altos y bajos a lo largo del trazado. En tales casos, puede ser necesario, instalar una válvulas para eliminar el aire acumulado durante la puesta en servicio de la cañería, es decir su llenado, su funcionamiento normal o bien para la admisión de aire durante el vaciado. La purga o admisión de aire puede llevarse a cabo mediante una válvula de funcionamiento manual, aunque también se han utilizado válvulas automáticas especialmente diseñadas para purgar el aire de los puntos altos cuando la cañería está bajo presión. Cuando sea factible, las cañerías de impulsión deben proyectarse sin puntos altos y con su clave situada por debajo de la línea de carga para el caudal mínimo de bombeo, de manera que no sea preciso instalar válvulas de purga de aire. Si ello no es posible, debe instalarse una válvula de purga manual en cada punto alto importante donde pueda acumularse el aire. Un punto alto puede considerarse importante si está a 60 cm o mas por encima de la mínima línea de carga o cuando el bombeo es intermitente, por encima de una línea de carga estática. Las válvulas de purga no deben ser de diámetro inferior a 20 mm ni superior a 50 mm, aunque pueden utilizarse diámetros superiores en cañerías de impulsión grandes. Preferiblemente estas válvulas deben colocarse en arquetas, aunque las válvulas de 40 mm o mayores pueden enterrarse y hacerlas funcionar mediante una llave a través de una caja. La válvula de purga puede descargas a una boca de registro, a una cámara seca bien ventilada o a cualquier sitio adecuado. Debe prestarse atención a la posibilidad de poder introducir una varilla o agua a presión para la limpieza de la válvula. En la figura 9-88 se muestra una instalación típica de una válvula de purga de aire en una cañería de impulsión.

Las válvulas de purga automáticas no deben instalarse a menos que sea inevitable. La experiencia ha demostrado que este tipo de válvulas requieren un mantenimiento frecuente si se quiere que funcionen correctamente. Si el mantenimiento no es adecuado, las válvulas se obturan y funcionan mal, a menudo muy poco tiempo después de su instalación. En la mayoría de los casos, si una vez que se ha puesto en servicio la cañería de impulsión se ve que es necesario hacer funcionar muy frecuentemente una válvula manual para eliminar el aire acumulado, esta puede dejarse parcialmente abierta para que exista una purga continua. En última instancia, puede instalarse una válvula automática. Cuando se instalen válvulas automáticas deben tener

Figura 9-88 Válvula de purga de aire



un diseño especial que mantenga el mecanismo de accionamiento fuera del contacto con el agua residual para evitar su obturación y mal funcionamiento. Deben colocarse en una boca de registro o arqueta y estar protegidas contra las heladas e instalarse en la parte superior de la cañería de impulsión, cerca de una válvula de aislamiento. Se debe instalar una purga de 25 mm de diámetro por encima de la válvula de aislamiento o en el cuerpo de la bomba. El fabricante de la válvula debe incluir una conexión para la limpieza de la válvula con agua a presión. Las válvulas automáticas de admisión de aire se han utilizado para procurar una entrada rápida de aire en la cañería, para evitar su aplastamiento cuando la pared de la misma es muy delgada, durante un vaciado rápido que pueda producirse como consecuencia de una rotura de la cañería de impulsión, o durante la fase de separación de la columna líquida siguiente a un corte de energía. Sin embargo, estas válvulas están sujetas a un mantenimiento frecuente, al igual que las de purga de aire y puede ocurrir que un mal funcionando de las mismas cree problemas adicionales de golpe de ariete. En general, las válvulas automáticas de admisión de aire no deben usarse en cañerías de impulsión de aguas residuales. En su lugar del problema del posible aplastamiento de las cañerías por razón de presiones internar inferiores a la atmosférica puede ser resuelto mediante el empleo de cañerías con paredes de espesor suficiente para soportar estos esfuerzos.

Golpe de ariete en cañerías de impulsión Las variaciones rápidas de la velocidad que tiene lugar en las cañerías de impulsión tienen su origen en los arranques de

las bombas, en las paradas o fallos del suministro de energía, y pueden dar lugar a cambios importantes de la presión. Estos cambios pueden ser positivos, por encima del valor normal, o negativos, por debajo y, a menudo, van acompañados de un ruido característico como de un golpe. Esta situación transitoria de la presión y velocidad en las cañerías de impulsión y conductos a presión se conoce como golpe de ariete. Las condiciones mas severas de golpe de ariete suelen producirse por paradas de las bombas o por fallo del suministro eléctrico. En este capítulo se estudia la teoría, análisis y control del golpe de ariete.

Teoría del golpe de ariete En el caso de paro rápido de las bombas o de fallo de suministro eléctrico, tanto el caudal como la velocidad de la

cañería se encuentran inicialmente en estado permanente. Sin embargo, cuando se corta el suministro de energía al motor, la bomba se desacelera rápidamente desde su velocidad de régimen hasta cero, dando lugar a una rápida disminución del caudal descargado a la cañería. Esta disminución origina una onda de presión negativa, por debajo de la presión normal, que se traslada velozmente desde la estación de bombeo a lo largo de la cañería de impulsión hasta su extremo final, dando lugar a una desaceleración del caudal de acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton. Cuando la onda de presión negativa alcanza el extremo final de la cañería de impulsión, sufre una reflexión que la hace desplazarse en forma de onda de presión positiva hasta la estación de bombeo, desacelerando adicionalmente el flujo durante su recorrido.

Cuando la onda de presión positiva alcanza la estación de bombeo, se completa un cielo de desplazamiento y la onda es reflejada de nuevo produciéndose una segunda onda de presión inferior que se desplaza por la cañería. Esta secuencia se repite durante el tiempo en que la velocidad y descarga de la bomba continúan su decrecimiento. En muy poco tiempo, la velocidad de la bomba se reduce hasta un punto en el que no puede desarrollar suficiente presión para el bombeo. En ese momento, la válvula de retención situada en la descarga de la bomba y que normalmente se utiliza para evitar la inversión del flujo a través de aquella, se cierra, aislando la bomba de las condiciones transitorias que tienen lugar en la cañería de impulsión. Sin embargo, las variaciones de caudal y velocidad continúan hasta que toda la energía se disipa en vencer la resistencia al rozamiento de la cañería. Durante esta secuencia de acontecimientos la carga en el extremo final de la cañería de impulsión permanece constante. En los puntos intermedios, la carga resultante viene determinada por la suma de las presiones de las ondas positivas y negativas.

El tiempo empleado por loa onda de presión en desplazarse por la cañería y volver al punto de partida se denomina tiempo crítico y viene dado por:

Donde:

T = tiempo crítico en segundos L = longitud de la cañería de impulsión entre el punto de cambio de caudal y el de reflexión en metros a = velocidad de la onda de presión en m./s.

La magnitud del incremento de la presión en el punto de cambio de caudal es función de si el flujo se detiene al cabo de un intervalo de tiempo igual, menor o mayor que el tiempo crítico. La velocidad de la onda de presión y la magnitud del incremento de la presión se estudian a continuación.

La velocidad de la onda de presión del golpe de ariete depende de las propiedades físicas del fluido y de la cañería de impulsión y de la aceleración de la gravedad. Puede calcularse por medio de la siguiente ecuación:

2L T = —— a



aC Kd Ee

14401 1( / )

Donde: a = Velocidad de la onda de presión en m./s. C1 = Valor 1, para cañerías con junta de expansión C1 = Valor 1 – µ2, para cañerías con movimiento axial impedido, por ejemplo, cañerías enterradas C1 = Valor 5/4 - µ2, para cañerías sin juntas de expansión y ancladas en el extremo de aguas arriba µ = módulo de Poisson K = módulo de la masa de agua estimada en 2.070 MN/m2 E = módulo de elasticidad de la cañería en MN/m2 e = espesor de la pared de la cañería en mm

En la tabla 9-89 se resumen los valores de los módulos de elasticidad, de Poisson, los intervalos normales de la relación de diámetros y espesores de cañerías y los intervalos normales, de velocidades de la onda de golpe de ariete para cañerías de diversos materiales. Cada proyecto exige el cálculo de la velocidad de la onda mediante la ecuación vista mas arriba, utilizando los datos de los fabricantes de cañerías, relativos al espesor de la pared y a las propiedades de los materiales cuando se trata de materiales no convencionales.

Tabla 9-89 Propiedades físicas y velocidades de onda de golpe de ariete

Intervalos normales de valores Material de la cañería de impulsión

Módulo de elasticidad E (MN/m2 x 10 –3)

Módulo de Poisson Diámetro

(mm) Relación diámetro y espesor de la cañería (d/e)

Velocidad de la onda de golpe de ariete (a) (m/s)

Fibrocemento 23,4 0,2 150 – 900 10 – 20 820 – 1.040 Fundición 53 – 103 0,3 150 – 1.200 15 – 20 1.000 – 1.250 Fundición dúctil

165,5 0,3 150 – 1.350 25 – 95 940 – 1.250

Acero 200 0,2 600 – 2.100 50 – 225 820 – 1.200 Hormigón pretensado

200 0,2 400 – 3.600 60 – 110 1.000 – 1.160

Cloruro de polivinilo

2,8 0,4 150 – 300 15 – 25 350 450

Plástico con fibra de vidrio

14,5 – 20,5 0,3 600 – 2.000 70 – 110 370 - 470

Veremos ahora la magnitud del incremento de presión debido al golpe de ariete. Si la velocidad en el punto de variación del flujo decrecen hasta cero en un intervalo de tiempo igual o menor que T, el

cambio se denomina instantáneo. Un cambio de estas características puede ser originado por un cierre rápido de una válvula. La magnitud de la presión debida al golpe de ariete en el punto donde está situada la válvula para un cambio instantáneo de la velocidad, puede derivarse por aplicación del principio del impulso mecánico y viene dada por:

hw aVg

Donde: hw = presión máxima originada por el golpe de ariete en m. a = velocidad de la onda de presión en m./s. V = velocidad del fluido en la cañería en m./s. g = aceleración de la gravedad (9,81 m./s2)

Si la válvula está situada en el extremo de descarga de la cañería, la presión de golpe de ariete es positiva y se añada a la presión inicial. Si la válvula está en el origen de la cañería, por ejemplo en la descarga de la bomba, la presión del golpe de ariete es negativa y se resta de la inicial. Puesto que la presión total de la cañería no puede ser inferior a la presión de vapor, un cierre instantáneo de una válvula en la descarga de una bomba puede producir la formación de una cavidad de vapor en lugar de reducir la velocidad al valor cero.

En los casos en que la velocidad disminuye hasta cero en un intervalo de tiempo T mayor de 2L/2, lo cual corresponde a un cierre lento de una válvula o a una cañería de presión de corta longitud, el cambio se denomina lento. En estas condiciones, no desarrolla toda la presión, debido a que se ve reducida por las ondas reflejadas.

En la mayoría de las cañerías de impulsión de aguas residuales, las cargas hidráulicas suelen ser pequeñas, variando entre 7 y 20 metros, y las velocidades para el caudal proyectado oscilando entre 1,5 y 2,0 m./s. Con la limitación de que la caída de presión alcance la altura manométrica del bombeo o algo más, si se produce una presión negativa o vacío por corte de energía eléctrica, se precisan varios desplazamientos de la onda de presión para reducir a cero la velocidad del agua en la cañería de impulsión. Cada desplazamiento de la onda a lo largo de la cañería en cualquier dirección supone una disminución de la velocidad en aquella de valor:



V gHa

Donde H es la diferencia de carga existente entre los extremos de la cañería mas la pérdida por fricción a la velocidad media durante el paso de la onda de presión. Durante este tiempo, la carga hidráulica en el extremo de la cañería permanece constante, mientras que en la válvula de retención varía ligeramente hasta el nivel del agua en la cámara de aspiración.

Una vez que la velocidad se ha reducido a cero, ocurren tres sucesos: Se cierra la válvula de retención Una pasada de la onda de presión positiva desde el extremo de la cañería hasta la bomba eleva la presión hasta

el valor normal y la velocidad en sentido opuesto a ΔV, donde ΔV = g/a veces la altura geométrica La velocidad en sentido opuesto, ΔV, choca contra la válvula cerrada dando lugar a un incremento adicional de

presión de valor ΔH = (a/g) ΔV y resultando en una presión de golpe de ariete de valor doble del de la altura geométrica

Control del golpe de ariete El objetivo del control del golpe de ariete es limitar la variación de las presiones en la cañería de impulsión dentro de un

rango determinado de valores, mediante la reducción de las variaciones de la velocidad. Los problemas del golpe de ariete en las estaciones de bombeo y cañerías de impulsión de aguas residuales pueden ser simples o complejos. En consecuencia, los sistemas de control del golpe de ariete necesarios para proteger las bombas y cañerías de impulsión pueden ser muy sencillos o muy elaborados. Los sistemas de control normalmente empleados son los siguientes:

Válvula de retención situada en la descarga de las bombas, dotada de contrapesos y manivela para ayudar la maniobra de cierre.

Válvula de retención de resorte situada en la descarga de las bombas Válvula de retención de cualquiera de los tipos anteriores, junto con una válvula reguladora de alta presión Válvula de control positivo situada en la descarga, enclavada de maneta que se abra a una presión prefijada

durante el arranque y se cierre a velocidad predeterminada después del corte de energía Válvulas de purga y admisión de aire situadas en la estación de bombeo y en los puntos altos de la cañería de

impulsión para limitar el desarrollo de presiones inferiores a la atmosférica. Desarrollaremos a continuación en detalle las opciones enumeradas anteriormente.

Válvulas de retención: En casos sencillos, tales como estaciones de bombeo de tamaño pequeño o medio con cañería de impulsión de corta longitud, menores de 500 m., con trazado ligeramente ascendente y pequeñas alturas geométricas de elevación, del orden de 15 a 20 m, el sistema de control puede consistir en una válvula de retención con contrapeso y manivela, situada en la descarga de la bomba para ayudar la maniobra de cierre del disco de la válvula cuando se invierte el sentido del flujo. Los discos de las válvulas de retención que no están dotados de contrapeso y manivela tienen tendencia a permanecer abiertos, durante cierto tiempo cuando el flujo a través de la válvula disminuye hasta cero. Esta circunstancia da lugar a que se desarrolle una presión no equilibrada en la cañería, la cual hace que el agua residual remanente en la misma se acelere en dirección contraria. Si el disco permanece abierto durante un tiempo suficientemente largo, el flujo invertido puede hacer girar la bomba y el motor en sentido contrario hasta que se alcance el equilibrio, con lo que la bomba funciona como una turbina a la velocidad de embalamiento. En estas condiciones, el caudal invertido máximo puede variar entre el 50 y el 110 % del caudal normal, la máxima velocidad inversa transitoria puede alcanzar valores comprendidos entre el 125 y el 150 % de la normal, y la presión transitoria máxima puede llegar del 150 al 175 % de la presión normal. Si el disco de la válvula se cerrara súbitamente después de haberse establecido el flujo invertido, podría producirse una condición muy grave de golpe de ariete. Un cierre súbito daría como resultado un correspondiente incremento súbito de la presión tal como se vio en la ecuación vista anteriormente. Un incremento importante de la presión creado por un cierre rápido de la válvula puede producir la rotura de la cañería de impulsión. Además, el cierre rápido del disco puede dar lugar a un fuerte golpe que, si ocurre con frecuencia, como puede ser en el caso de bombas de funcionamiento intermitente, puede llegar a aflojar las juntas y cierres y originar pérdidas. El uso de un contrapeso y manivela en una válvula de retención reduce la posibilidad de que el disco permanezca abierto. Por esta razón, se recomienda el uso de este tipo de válvulas con bombas de tamaño pequeño y medio. El problema del golpe puede eliminarse o reducirse notablemente ajustando la posición del contrapeso. También se han empleado válvulas de retención con resorte para asegurar el cierre del disco y evitar el golpe. Generalmente, el empleo de válvulas de retención del tipo descrito es todo lo que se necesita para controlar el golpe de ariete en estaciones de bombeo de pequeño tamaño, a menos que la cañería de impulsión tenga puntos altos importantes. Las válvulas reguladoras de alta presión permiten que el caudal procedente de la cañería de impulsión entre en la cámara de aspiración. Para controlar la sobrepresión caudada por el golpe de ariete puede emplearse una o varias de estas válvulas junto con la válvula de retención de la descarga de la bomba. Las válvulas reguladoras de presión normalmente empleadas en aguas residuales son, esencialmente, válvulas de resorte o contrapeso. El disco de este tipo de válvula se abre cuando la presión en la cañería de impulsión excede de un valor prefijado. Cuando la sobrepresión en la cañería disminuye por debajo del valor fijado, el disco se cierra violentamente. Este tipo de control se utiliza, fundamentalmente, como protección adicional de la cañería de impulsión en casos relativamente sencillos. En casos complicados, es preciso emplear válvulas de control positivo.



Válvulas de control positivo: Idealmente, la cañería de impulsión debería salir de la estación de bombeo a la misma cota que las bombas y su trazado debería ser plano o ligeramente ascendente, con inclinación uniforme, hasta cerca de su extremo final en donde se elevaría rápidamente hasta el punto de descarga. Sin embargo, este tipo de trazado no suele ser posible. Por razones de economía, el perfil de la cañería de impulsión suele adaptarse al del terreno, por lo que incluye tanto puntos bajos como altos. Mas aún, en muchas estaciones de bombeo profundas, cada bomba descarga mediante una cañería vertical hasta la cañería de impulsión, la cual sale de la estación a poca profundidad respecto a la superficie del terreno, o bien es la propia cañería de impulsión la que se eleva dentro o fuera de la estación hasta una cota próxima a la superficie del terreno. Incluso en una estación de bombeo de tamaño pequeño o medio pueden producirse sobrepresiones importantes debidas al golpe de ariete, si la cañería de impulsión se alza bruscamente dentro de la estación o si tiene puntos altos a lo largo de su trazado. En ambos casos, durante los momentos iniciales que siguen a un corte de energía, o a un paro de la bomba, la presión absoluta puede disminuir hasta el vacío total igual a la presión de vapor dando lugar a la formación de cavidades de vapor y a separaciones de la columna de agua en los puntos altos. Las dos partes de la columna de agua existentes a ambos lados de una cavidad se comportan independientemente, parándose y produciéndose la inversión del flujo, mientras las presiones en los puntos altos permanece a la presión de vapor. Si la columna de agua en la descarga de la bomba continúa su movimiento durante unos segundos, la cavidad puede no ser lo suficientemente grande por lo que las dos columnas entran en contacto, pero con muy pequeña diferencia de velocidad entre las mismas, con lo que la sobrepresión producida es de poca importancia. Si la columna de agua en la descarga de la bomba se para rápidamente, la cavidad puede extenderse los suficiente como para hacer que la otra columna se acelere en dirección contraria hasta alcanzar prácticamente su velocidad inicial en el momento que entra en contacto con la primera. Si cualquiera de las columnas con flujo invertido llega hasta la válvula cerrada o una columna de agua estática, el incremento de presión puede ser elevado y viene dado por las fórmulas ya vistas. En estaciones de gran tamaño, las válvulas de retención deben ser de cono con control positivo, de macho o de mariposa. Estas últimas no deben emplearse a menos que se hayan eliminado o dilacerado los trapos u otros sólidos antes de la aspiración de las bombas. El paro normal de las bombas debe realizarse cerrando lentamente la válvula mientras el motor continúa funcionando, de manera que, una vez que la válvula se encuentra en posición cerrada, produce un contacto que para el motor. En el caso de fallo de suministro eléctrico, la válvula está totalmente abierta y se utiliza la presión hidráulica procedente de otra fuente fiable, o un acumulador hidráulico que funciona con un cilindro, para cerrar la válvula. Los tiempos de cierre normal o de emergencia y de apertura de la válvula pueden ser diferentes y deben ajustarse independientemente. El tiempo de cierre de las válvulas es de extraordinaria importancia por que si se cierran demasiado rápidamente, pueden ocasionar la rotura de la columna de agua de las descarga de la bomba, lo cual puede producir el desarrollo de sobrepresiones importantes en la cañería de impulsión. En consecuencia, las válvulas deben maniobrarse lentamente y estar en posición semiabiertas cuando se anule la velocidad en la cañería de impulsión y comience el flujo en sentido inverso. En la cañería de impulsión en la que no existan puntos altos, la velocidad de la onda a puede expresarse como L/Δt, donde Δt = L/a es el tiempo requerido para que la onda se desplace a lo largo de la cañería.

t LVgHmed

Donde: t = tiempo necesario para que se anule la velocidad Hmed = desaceleración media de la presión incluyendo el rozamiento

Esta ecuación proporciona el tiempo que ha de transcurrir para que se anule la velocidad del agua en la cañería de impulsión en el extremo de la estación de bombeo. Si se utilizan válvulas de control positivo, el tiempo de cierre necesario sería de 2t. Las especificaciones deben exigir que el tiempo de maniobra sea ajustable al menos dentro de un intervalo de t a 4t. Alternativamente, el tiempo requerido para que la velocidad se anule puede determinarse mediante una primera pasada en el ordenador, suponiendo que existen válvulas de retención en la descarga de la bomba. El método es especialmente adecuado para el caso que exista un punto alto en la cañería de impulsión que origina la separación de la columna de agua, ya que también proporciona el tiempo transcurrido hasta que las dos columnas vuelven a encontrarse y la máxima sobrepresión resultante. Este último tiempo, se emplearía en lugar del primero, para seleccionar el de cierra de la válvula por la primera pasad del ordenador cuando se empleen las válvulas de control positivo y mediante pasadas sucesiva se puede determinar el tiempo óptimo de cierre. Con esta disposición se producirá una inversión del flujo cuando se produzca un fallo del suministro de energía. En tales condiciones, las bombas podrían alcanzar una velocidad contraria del 60 al 125 % de su velocidad normal, dependiendo del número de bombas de que conste la estación y del número en funcionamiento simultáneo en el momento de fallo del suministro. Las bombas y motores deben especificarse para poder soportar una velocidad en sentido inverso del 150 % de su velocidad de régimen. La máxima sobrepresión desarrollada por un fallo del suministro de energía no debe exceder del 175



% de la presión normal, medida por encima de la parte superior de la voluta. Mediante un análisis detallado y elección correcta del tiempo, la sobrepresión puede limitarse hasta un valor de 125 % de la normal.

Válvulas reguladores de presión: En algunas estaciones de bombeo de gran tamaño el empleo exclusivo de válvulas de control positivo puede no proporcionar suficiente control para limitar las presiones debidas al golpe de ariete. En estaciones de bombeo grandes con cañerías de impulsión de gran longitud en las que únicamente existan las válvulas en la descarga de las bombas para controlar el golpe de ariete, el tiempo necesario para el cierre de las válvulas de control positivo puede ser demasiado largo produciéndose un flujo excesivo en sentido contrario a la cámara de aspiración, así como una rotación indeseable excesiva en sentido contrario de la bomba y el motor. Estas condiciones pueden presentarse en una cañería de impulsión que tenga puntos altos en donde se produzca la separación de la columna de agua. En tales casos, se emplean válvulas reguladoras de presión en bypass, en conjunción con las de control positivo situadas en la descarga de las bombas. Cuando ambas válvulas se usan conjuntamente, las de control positivo se diseñan de modo que puedan cerrarse en el momento en que al descarga de la bomba se anule, de manera que se evite que el flujo invertido pase a través de la bomba. Las válvulas reguladoras de presión en bypass suelen ser cónicas de control positivo o de mariposa y se diseñan para estar totalmente abiertas en el momento en que se cierre la válvula de descarga, de manera que permiten que el flujo de sentido contrario pase directamente a la cámara de aspiración a caudal reducido mediante bypass de las bombas. Generalmente, se suele colocar mas de una válvula reguladora de presión en bypass para asegurar que, por lo menos, se abrirá una válvula en cado de fallo de las otras. Estas válvulas se fabrican de modo que puedan cerrarse lentamente para mantener la presión en el interior de la cañería de aspiración dentro de los límites admisibles.

Válvulas de purga y admisión de aire: Este tipo de válvulas se ha utilizado en las cañerías de impulsión para evitar la formación de vacíos en la estación de bombeo y en los puntos altos. Cuando la presión en la cañería de impulsión descienda por debajo de la atmosférica, las válvulas permiten la entrada de aire suficiente para mantener la presión próxima a la atmosférica, con lo que la velocidad a la que se juntan las columnas de agua de ambos lados de la cavidad se ve reducida y se obtiene un cierto efecto de colchón de aire. Ello limita el incremento de presión que se produce en la cañería de impulsión después de la rotura de la cavidad de vapor. También se pueden instalar válvulas de aire de apertura rápida y cierre lento en los puntos altos de la cañería de impulsión. Estas válvulas permiten una pequeña descarga del contenido de la cañería en cada operación. Debido a que son susceptibles a problemas de funcionamiento, el empleo de válvulas de purga y admisión de aire o válvulas de apertura rápida y cierre lento debe restringirse a conductos de impulsión que transporten agua residual tratada.

Otros sistemas de control: En estaciones de bombeo de tamaño pequeño y mediano se han utilizado en cierta medida los calderines hidroneumáticos para el control del golpe de ariete. El calderín se conecta a la cañería de impulsión y las bombas se equipan con válvulas de retención preferiblemente con amortiguadores. Cuando se produce el paro de la bomba o el fallo del suministro eléctrico, el calderín suministra agua a la cañería de impulsión para limitar la depresión y evitar la separación de la columna de agua. Una vez que se han cerrado las válvulas de retención, la onda de presión que retorna fuerza al agua residual hacia el calderín, donde se produce el efecto de colchón de aire. Cuando la altura manométrica de elevación máxima en estado estacionario no excede de la del techo en la estación de bombeo, que de conseguirse el control colocando una o más chimeneas verticales conectadas a la cañería de impulsión y de altura superior a la del techo, incluyendo una conexión de retorna a la cámara de aspiración. La parte superior del codo existente entre la chimenea y el retorno ha de estar venteada para impedir el sifonamiento. Este sistema, no precisa mas válvulas que las normales de retención y compuerta en la descarga de cada bomba y limita, de manera efectiva, las sobrepresiones que se producen en los arranques y fallos de energía, habiéndose uilizado satisfactoriamente, tanto en bombeo de aguas residuales como elevaciones de poca altura de aguas potables.

Es preciso reconocer que muchos de los dispositivos empleados para controlar el golpe de ariete en estaciones de bombeo, tales como supresores y válvulas de sobrepresión, no son aplicables a los de aguas residuales debido a los sólidos contenidos en estas.

En el proyecto de sistemas de estaciones de bombeo y cañerías de impulsión, es esencial que todas las cañerías y equipos, incluyendo las juntas, sean capaces de resistir las presiones esperadas del golpe de ariete, así como las nominales del sistemas. Ello también es de aplicación a los soportes de las cañerías, anclajes y apoyos, tanto dentro como fuera de la estación, estando enterradas o no. Los codos y piezas especiales enterradas deben embeberse en hormigón o reforzarse convenientemente para soportar las presiones previsibles.

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CONDUCCIÓN DE LIQUIDOS RESIDUALES - frro.utn.edu.ar · PDF filedeterminación de las dimensiones del alcantarillado exige una estimación de las cantidades de agua residual y la