¿Cómo Diseñar una Estación?

En los últimos años ha aumentado considerablemente el uso de bombas sumergibles, en especial en sistemas de tratamiento de aguas residuales y en aplicaciones de drenaje.

Considerando las características especiales de estos equipos, el diseño e implementación de las estaciones de bombeo impone desafíos relevantes para los desarrolladores de este tipo de proyectos. Consciente de ello, la compañía internacional Grundfos, uno de los principales fabricantes de bombas a nivel mundial y especialista en la materia, desarrolló un "Manual de bombeo de aguas residuales" en el que incluye recomendaciones técnicas que pueden ser muy útiles para realizar adecuadamente esta tarea.

A continuación, presentamos un resumen con algunos aspectos básicos a tener en cuenta al momento de diseñar las mencionadas estaciones de bombeo.

Fosa Húmeda

En términos generales, una estación de bombeo se podría definir como el entorno de trabajo asociado al funcionamiento de una bomba. Por lo mismo, un diseño y construcción apropiados son claves para la operación correcta y rentable del sistema de impulsión.

Según indica el Manual, "el factor decisivo para el funcionamiento de las estaciones de bombeo es un buen diseño hidrodinámico". Y advierte que los criterios aplicados para proyectar una estación de trabajo con aguas residuales son distintos de aquellos que se utilizan para el bombeo de agua limpia.

Luego, analiza una serie de aspectos relevantes para el desarrollo de estos proyectos, partiendo por el volumen y área de la superficie de la fosa húmeda.

Al respecto señala que cuando el volumen es demasiado grande se corre el riesgo de acumular lodos en la fosa, mientras que si es muy pequeño se producen arranques y paradas frecuentes de las bombas. Hay equipos sumergibles modernos que toleran una alta frecuencia de arranques, por lo que permiten diseñar estaciones de bombeo más pequeñas y eficientes.

"En un buen diseño, los niveles de arranque y parada deben estar relativamente cerca entre sí por los siguientes motivos: La frecuencia de arranques de la bomba llega a ser lo suficientemente alta para impedir que lodos e impurezas se depositen en el suelo de la fosa. Y la entrada de la estación de bombeo debe mantenerse baja comparada con la fosa húmeda", añade el documento.

Indica además que un valor de referencia máximo para la altura del volumen efectivo es de 1 metro aproximadamente en estaciones de bombeo pequeñas, y 2 metros en el caso de las grandes.
Señala también que el volumen efectivo se puede reemplazar con el área de la superficie de la fosa húmeda, por medio de la siguiente ecuación:

Aw = Q
        20

Donde:
Aw = Área de la superficie de la fosa húmeda, en m2
Q = Caudal total de la estación de bombeo, en l/s

Advierte, eso sí, que para caudales de estaciones de bombeo pequeñas, el área de la superficie estará limitada por las dimensiones físicas de las bombas sumergibles, por lo cual es muy probable que el área de la superficie sea mayor que el resultado que entregue la mencionada ecuación.

En tanto, en el caso de caudales grandes el sentido de aproximación hacia las bombas debe ser de frente. Esto se explica porque si el caudal viene de atrás, las bases sumergidas generarán perturbaciones y se formarán remolinos que impedirán el funcionamiento de la bomba, reduciendo su rendimiento y aumentando el riesgo de cavitación y vibraciones.

La forma del suelo de la fosa húmeda es otro factor importante para el adecuado funcionamiento de una estación de bombeo de aguas residuales. Un buen diseño impide la sedimentación en el fondo y también puede evitar que se forme espuma y se acumulen restos flotantes en la superficie. Para llevarlo a cabo, en Grundfos recomiendan:

-Todas las esquinas deben tener un ángulo de terminación mínimo de 45º. En estaciones de bombeo pequeñas, puede ser de hasta 60º. El ángulo puede ser menor si la sección se autolimpia con la fuerza de la corriente.
-Minimizar el área del fondo y el volumen de líquido por debajo del nivel de parada de la bomba.

En relación a esto último, expone: "Al minimizar el área del fondo y el volumen residual, las velocidades del caudal cerca de las entradas aumentarán, y eliminarán los posibles depósitos de lodos. Un área de superficie que disminuye cuando el nivel del agua baja ocasiona menos acumulación de residuos en la superficie".

Tubería de Entrada

Otro aspecto relevante en el diseño de la estación de bombeo es la ubicación y tamaño de la tubería de entrada.

Al respecto, el Manual desarrollado por Grundfos afirma: "Una tubería de entrada situada demasiado alta en relación a la superficie del líquido o con gran velocidad de caudal puede ocasionar la retención de aire y formación de remolinos en el agua cuando entra en la fosa. El aire mezclado en las aguas residuales tiende a quedarse, debido a la posible adhesión de burbujas de aire a las partículas sólidas presentes. Por lo tanto, una cámara tranquilizante separada no paliará en absoluto la situación".

Agrega que la altura de caída de la entrada debe siempre minimizarse y no superar 1 metro con bajo nivel del agua.

Explica además que "el aire retenido en el agua tiende a quedarse dentro del impulsor de la bomba donde, debido a las fuerzas centrífugas, se acumula alrededor del eje central del impulsor". A causa de ello es probable que se requiera más potencia, se perjudique el funcionamiento y rendimiento del equipo, y aumente el riesgo de cavitación y vibraciones de la bomba. Incluso, si la cantidad de aire en la bomba es muy grande, ésta puede dejar de operar.

En plantas de tratamiento de aguas residuales, la presencia de aire en las bombas suele ser más frecuente en aquellas que se trabajan directamente con tanques de aireación. En estos casos, la recomendación es que la bomba quede lo más abajo posible, con la tubería de aspiración cerca del fondo.

Otro consejo a tener en cuenta es que la tubería de entrada debe estar lo más lejos posible de la aspiración de la bomba. De igual manera, la velocidad del caudal en la entrada no debe superar 1,2 m/s para evitar que se formen remolinos en la fosa húmeda.

Parada y Arranque

En la fase de diseño de las estaciones de bombeo se deben especificar también los niveles de arranque y parada de las bombas. Estos parámetros siempre hay que comprobarlos y, si es necesario, cambiarlos durante la puesta en marcha para garantizar un funcionamiento adecuado del sistema.

"El nivel de parada debe estar lo más bajo posible para que la velocidad del caudal aumente hacia el final del ciclo de trabajo. Los límites de parada están fijados por la inmersión necesaria de refrigeración del motor o por el nivel cuando el aire es aspirado a la aspiración de la bomba. Este último nivel no puede siempre preverse, sino que debe confirmarse mediante pruebas durante la puesta en marcha de la estación de bombeo", indica el Manual.

Añade que en estaciones con dos bombas sumergibles configuradas para funcionamiento en standby (una de reserva), el nivel de parada se puede ajustar normalmente por debajo del motor (Ver figura 1). En estos casos, hay que elegir equipos idénticos que sean capaces, cada uno por sí solo, de cubrir el caudal de la estación de bombeo, aminorando así el riesgo de que el nivel del líquido permanezca mucho tiempo cerca del nivel de parada.

En cuanto al nivel de arranque para este tipo de estaciones, si se dimensiona el área de superficie de una fosa húmeda (Aw) utilizando la ecuación señalada anteriormente, el primer nivel puede ajustarse 1 metro por encima del nivel de parada o a una altura menor cuando las afluencias son pequeñas. El segundo nivel de arranque puede ajustarse 20 o 30 centímetros por encima del primero.

Cuando se trata de estaciones con muchas bombas sumergibles que operan en condiciones variables, el nivel de parada se debe ajustar de modo que los motores de los equipos estén siempre lo suficientemente sumergidos para tener una refrigeración adecuada. En estas instalaciones es preferible utilizar bombas con camisas de refrigeración u otros medios de termo disipación independientes de la inmersión.

Los niveles de arranque en estaciones con más de dos bombas se deben analizar caso a caso. "Si las bombas tienen un nivel de parada común, un diseño adecuado tendría el primer nivel de arranque 1 m por encima del nivel de parada y los siguientes niveles de arranque a intervalos de 0,3 m de éste. Si los niveles de parada de las bombas son escalonados, los niveles de arranque deben ajustarse a intervalos iguales o parecidos", detalla el documento.

En las bombas instaladas en seco, el ajuste del nivel de parada depende de la altura de entrada de la tubería de aspiración, la forma y velocidad del caudal. El instructivo señala: "200 mm por encima de la entrada de la tubería de aspiración es una buena regla práctica para esta altura y útil para el proyectista".

Para estas estaciones de bombeo es recomendable ajustar los niveles de arranque por encima de la voluta de la bomba para garantizar que éstas se llenen y el sistema trabaje de manera apropiada.

Tubería de Aspiración

El diseño y dimensionamiento adecuado de la tubería de aspiración es otro punto crucial para mantener un buen rendimiento de las bombas y evitar vibraciones y cavitación.

En relación a ello, el Manual indica: "La tubería de aspiración se debe dimensionar de modo que la velocidad del caudal no supere los 2 m/s para bombas verticales y los 2,5 m/s para bombas horizontales. Puede ser necesario sobrepasar estos valores cuando se instalen bombas nuevas más grandes en estaciones de bombeo viejas".

Además destaca que la aspiración descendente "ejerce un caudal limpiador en el suelo de la estación de bombeo y es menos propenso a aspirar aire de la superficie".

Luego advierte que si se trabaja con bombas verticales, la tubería de aspiración debe girarse 90º para alcanzar la tapa de la aspiración de la bomba y llama a fijarse en el codo a utilizar antes de la entrada. "Un codo demasiado pronunciado puede ocasionar cavitación del impulsor, menor rendimiento de la bomba, así como vibraciones. Si la entrada de aspiración de la bomba es menor que la tubería de aspiración, debe utilizarse un codo reductor para minimizar la interferencia", plantea.

Para bombas horizontales, en tanto, se recomienda que la reducción de la tubería recta de entrada sea excéntrica para evitar acumulación de aire y el posible bloqueo del impulsor.

Los especialistas también comentan: "Un diseño de la entrada con características de caudal desfavorables puede ocasionar una caída de presión lo suficientemente grande como para agotar el NPSH disponible y causar cavitación de la bomba. Debe cumplirse con los márgenes de NPSH recomendados en instalaciones donde la geometría de la tubería de aspiración es preocupante".

En lo que respecta a la tubería interior de impulsión de una estación de bombeo, el Manual aconseja seleccionarla para una velocidad del caudal de 2 a 3 m/s, en especial si las aguas residuales contienen arena para que ésta salga de la bomba con el caudal. Asimismo, recomienda que la tubería interior tenga una dimensión de al menos 100 mm, aunque en estaciones de bombeo pequeñas podría ser de 80 mm si el paso libre de la bomba es de esa misma medida. También aconseja evitar el uso de juntas flexibles, ya que éstas no logran evitar las vibraciones generadas principalmente por la presión del líquido que fluye, por lo cual la posibilidad de corte y daños en las tuberías es mayor.

Entre otras recomendaciones para el diseño y adecuado manejo de las estaciones de bombeo de aguas residuales, el Manual elaborado por la compañía recuerda que estas instalaciones pueden generar malos olores en su entorno inmediato y plantea algunas medidas para tratar de resolver ese problema, como las siguientes: "Bajar los niveles de arranque y parada para reducir el tiempo de retención en la fosa húmeda e impedir que se formen lodos. Instalar un codo de entrada sumergible en la fosa húmeda para que lleve las aguas residuales entrantes por debajo de la superficie, evitando así la formación de aerosoles. También, instalar filtros de aire en los ventiladores de la fosa húmeda y añadir productos químicos desodorizantes en la alcantarilla aguas arriba desde la estación de bombeo".

Artículo publicado en InduAmbiente 142 (Septiembre-Octubre 2016), páginas 98 a 101.