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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO
MEXICO D.F., OCTUBRE DEL 2014.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
"PROPUESTA TÉCNICO – ECONÓMICA PARA LA HABILITACIÓN DE POZOS PROFUNDOS DEL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE EN LA CIUDAD
DE MINATITLÁN, VERACRUZ”
TESIS TRADICIONAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO
ASESORES
ING. CARLOS HERNÁNDEZ MIRANDA M. en C. ANDRÉS QUINTERO MIRANDA
PROPUESTA TÉCNICO – ECONÓMICA PARA LA HABILITACIÓN DE POZOS PROFUNDOS DEL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE EN LA CIUDAD DE MINATITLÁN, VERACRUZ.
ÍNDICE
Justificación ....................................................................................................... 7
Introducción ....................................................................................................... 9
Capítulo I: Generalidades
1.1 Antecedentes Históricos de la Región ............................................ 13
Localización Geográfica .................................................................. 15
Límites ............................................................................................ 15
Ubicación ........................................................................................ 16
Hidrografía ...................................................................................... 18
Corrientes ....................................................................................... 18
Lagos y Lagunas ............................................................................ 18
Clima ............................................................................................... 19
Orografía ......................................................................................... 19
Flora y Fauna .................................................................................. 22
Economía ........................................................................................ 22
Población ........................................................................................ 23
Crecimiento de la población ............................................................ 24
Tipo de Suelo .................................................................................. 25
1.2 Nociones de Hidrogeología ............................................................. 26
Distribución Vertical de las Aguas Subterráneas ............................. 27
Acuífero ........................................................................................... 28
Tipos de Acuífero ..................................................................... 29
1.3 Tipos de Pozos ................................................................................ 32
1.4 Panorama Actual del Sistema ......................................................... 34
Pozo Profundo ................................................................................ 34
Diámetro del Ademe ....................................................................... 35
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Profundidad del Pozo ...................................................................... 35
Niveles de Bombeo ......................................................................... 36
Nivel Estático (NE) .................................................................. 36
Nivel Dinámico (ND) ............................................................... 36
Abatimiento ............................................................................. 36
Aforo ........................................................................................ 36
Conducción ..................................................................................... 36
1.5 Consumo Actual y Fuentes de Abastecimiento .............................. 39
Capítulo II: Ingeniería Básica
2.1 Descripción del Equipo Existente .................................................... 43
2.2 Antecedentes del Sistema de Bombeo ........................................... 44
2.3 Pérdida de Carga en un Sistema de Bombeo ................................ 45
Pérdidas Primarias (hL) ................................................................... 45
Cálculo de Pérdidas Primarias ....................................................... 45
Pérdidas Secundarias (hrs) ............................................................. 46
Cálculo de Pérdidas Secundarias ................................................... 46
2.4 Determinación de Cargas en un Sistema de Bombeo .................... 49
Cargas Estática de Descarga (hd) .................................................. 49
Carga Estática de Succión Negativa (-hs) ...................................... 49
Carga Estática de Succión Positiva (hs) ......................................... 50
Carga Estática Total (hT) ................................................................ 50
Carga Equivalente (heq) .................................................................. 51
2.5 Carga de velocidad ......................................................................... 52
2.6 Carga de Presión ............................................................................ 52
2.7 Carga Dinámica Total (hA o CDT) ..................................................... 52
2.8 Carga Neta Positiva de Succión (NPSH) .......................................... 54
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Caso I: Tanque con Carga de Succión hs ....................................... 56
Caso II: Tanque Cerrado con Carga de Succión -hs ....................... 57
Caso III: Tanque Abierto con Carga de Succión Negativa -hs ........ 57
2.9 Factores Indeseables en un Sistema de Bombeo ............................ 58
Golpe de Ariete ............................................................................... 58
Cavitación ....................................................................................... 59
Sumergencia .................................................................................. 60
2.10 Potencia .......................................................................................... 62
Potencia Hidráulica (Ph) .................................................................. 62
Potencia al Freno (Pa) .................................................................... 62
Potencia Eléctrica (Pe) .................................................................... 62
2.11 Descripción de un Sistema de Bombeo .......................................... 63
Colador ........................................................................................... 63
Tazón ............................................................................................. 63
Cuerpo de Tazones ........................................................................ 63
Columna ......................................................................................... 64
Flecha de Línea .............................................................................. 64
Cabezal de Descarga ..................................................................... 64
2.12 Bomba Vertical Tipo Turbina, Bomba de Pozo Profundo y
Bomba Sumergible ......................................................................... 66
2.13 Propuesta Técnica .......................................................................... 67
Propuesta de Conducción .............................................................. 71
Regulación ..................................................................................... 79
Capítulo III: Cálculo, Desarrollo y Selección de Equipos Hidráulicos
3.1 Determinación de la Población del Proyecto .................................. 84
Método Aritmético ........................................................................... 88
Método Geométrico ........................................................................ 89
Método Malthus .............................................................................. 91
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Método Geométrico por Porcentaje ................................................ 93
3.2 Demanda Actual ............................................................................. 97
3.3 Gasto Actual Suministrado ............................................................. 98
3.4 Datos Para los Cálculos y Desarrollo del Proyecto ......................... 101
3.5 Memoria de Cálculo ........................................................................ 103
Cálculo del Caudal ......................................................................... 103
Cálculo de Velocidades (v1 y v2) ..................................................... 103
Cálculo de la Rugosidad Relativa ................................................... 104
Cálculo del Número de Reynolds (Re) ........................................... 105
Cálculo del Coeficiente de fricción (f) con la Ecuación
Modificada de Colebrook – White .................................................. 105
Cálculo de Longitudes L y Le .......................................................... 107
Cálculo de Pérdidas Primarias y Secundarias ................................ 107
Cálculo de la Altura Geodésica ...................................................... 108
. Cálculo de la Carga de Velocidad .................................................. 109
Cálculo de la Carga Dinámica Total (hA) ........................................ 109
Cálculo de la Carga Neta Positiva de Succión (NPSH) .................. 110
Cálculo de las Potencias ................................................................ 111
Cálculo de la Potencia Hidráulica (Ph) ............................. 111
Cálculo de la Potencia de Accionamiento (Pa) ................ 112
Cálculo de la Potencia Eléctrica (Pe) ............................... 112
Cálculo de la línea de conducción .................................................. 113
Volumen del tanque de regulación ................................................. 123
3.6 Selección de la Bomba ................................................................... 128
3.7 Datos de la Bomba Seleccionada ................................................... 129
Capítulo IV: Análisis Económico del Proyecto
4.1 Análisis FODA ................................................................................ 130
4.2 Cotización del Equipo y Accesorios ................................................ 134
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4.3 Costo – Beneficio ............................................................................ 134
Conclusiones ..................................................................................................... 136
Recomendaciones Principales ................................................................ 137
Glosario .......................................................................................................... 138
Bibliografía ........................................................................................................ 149
Anexos .......................................................................................................... 151
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Justificación
Debido a que el agua es un recurso natural que se ha vuelto escaso con la
creciente población mundial, su disponibilidad en varias regiones habitadas por el
hombre varía de acuerdo al desarrollo urbano de cada lugar, por ejemplo, en los
desiertos, en comunidades lejanas a las ciudades, es los países pobres y en
regiones densamente pobladas.
Los mantos acuíferos superficiales y subterráneos son las principales fuentes de
abastecimiento de agua en el mundo. De esta forma la lluvia desempeña un papel
importante en la recarga de los mantos acuíferos ya que, al escurrir por la
superficie del suelo, se infiltra directamente en el subsuelo hasta llegar a ellos.
Actualmente, el volumen de agua que se extrae de los acuíferos es mayor que la
que se recupera naturalmente por la lluvia, y muchas veces el agua que se genera
no puede ser captada y utilizada en su totalidad debido a las ineficientes
infraestructuras hidráulicas.
México es un país rico en recursos hídricos; obtiene el agua que consume la
población de fuentes tales como ríos, arroyos y mantos de agua subterráneos.
Estos acuíferos se recargan de forma natural en época de lluvias y por
escurrimientos constantes. Particularmente, Veracruz cuenta con el doble de la
media nacional de precipitaciones pluviales, que son del orden de 1 488
milímetros anuales, por lo cual el estado y las regiones cuentan con una cobertura
hídrica sin precedentes.
Así mismo, los municipios del sur de Veracruz cuentan con la cantidad suficiente
de agua, pero la infraestructura hidráulica se ha visto rebasada por el crecimiento
desmesurado de la población, por la falta de mantenimiento continuo y por la falta
de inversiones y proyectos hidráulicos.
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Es por esto que, ante la necesidad de suministrar agua potable y cumplir la
demanda requerida para el municipio de Minatitlán, Veracruz, se requiere la
evaluación de un proyecto que conciba un plan técnico – económico proyectado
para el año 2035, para poder asegurar el abasto necesario del vital líquido de una
manera continua.
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Introducción
El agua es la sustancia que más abunda en la Tierra y es la única que se
encuentra en sus tres estados: líquido, sólido y gaseoso; es inodora, incolora e
insípida. Su composición química se basa en dos moléculas de hidrógeno y una
de oxígeno, y la mayor reserva de ella está en los océanos, que contienen el
97.5 % del agua que existe en la Tierra. Se trata de agua salada, que sólo permite
la vida de la flora y fauna marina. El resto (2.5 %) es agua dulce, pero no toda está
disponible, gran parte permanece siempre congelada, formando los casquetes
polares y los glaciales.
El agua es indispensable para la vida, porque ningún organismo sobrevive sin ella;
es un constituyente esencial de la materia viva y la fuente de hidrógeno para los
organismos. Los seres vivos están formados en su mayor parte por agua. Las
plantas realizan la fotosíntesis a partir de agua y sus raíces captan los nutrientes
cuando están disueltos en agua. La savia, que es una solución dentro de las
plantas, distribuye la sustancia orgánica en el interior de ellas. En los humanos y
animales, el agua participa en importantes reacciones bioquímicas que se
desarrollan dentro de las células. Además, disuelve y transporta las sustancias
necesarias para la alimentación celular y las sustancias tóxicas que el organismo
expulsa en forma de sudor y orina.
El agua dulce es imprescindible para la vida, pero la cantidad disponible es escasa
y su distribución desigual, además, varía a lo largo del año y está sujeta a cambios
provocados por la actividad humana. Los usos más importantes están
relacionados con la agricultura y el aprovechamiento de los procesos industriales y
el consumo doméstico. Su demanda se ha incrementado notablemente con el
crecimiento de la población. Por ejemplo, en las últimas décadas se han
multiplicado las áreas agrícolas dependientes del riego para la producción de
alimentos. Las industrias y actividades mineras la emplean para el lavado,
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enfriamiento, dilución, remojo, procesamiento, eliminación de productos de
desecho, etc.
Mientras que en muchos lugares el agua limpia y fresca se da por hecho, en otros
es un recurso escaso debido a la contaminación de sus fuentes.
Aproximadamente 1 100 millones de personas, es decir, el 18 % de la población
mundial, no tienen acceso a fuentes seguras de agua potable, y más de 2 400
millones de personas carecen de saneamiento adecuado. En los países en
desarrollo, más de 2 200 millones de personas, la mayoría de ellos niños, mueren
cada año a causa de enfermedades asociadas con la falta de acceso al agua
potable, saneamiento inadecuado e insalubridad. Además, gran parte de las
personas que viven en regiones en desarrollo sufren de enfermedades causadas
directa o indirectamente por el consumo de agua o alimentos contaminados o por
organismos portadores de enfermedades que se reproducen en el agua, como el
cólera. Con el suministro adecuado de agua potable y de saneamiento, la
incidencia de contraer algunas enfermedades y consiguiente muerte podrían
reducirse hasta en un 75 por ciento.
La carencia de agua potable se debe tanto a la falta de inversiones en sistemas de
agua como a su mantenimiento inadecuado. Cerca del 50 % del agua en los
sistemas de suministro de agua potable en los países en desarrollo se pierde por
fugas, conexiones ilegales y vandalismo. En algunos países, es altamente
subsidiada para aquellos conectados al sistema, generalmente personas en una
mejor situación económica, mientras que la gente pobre que no está conectada al
sistema depende de vendedores privados costosos o de fuentes inseguras.
La mayor parte del agua dulce (aproximadamente el 70 % del líquido disponible
mundialmente), se utiliza en la agricultura. Sin embargo, la mayoría de los
sistemas de irrigación son ineficientes: pierden alrededor del 60 % del agua por la
evaporación o reflujo a los ríos y mantos acuíferos. La irrigación ineficiente
desperdicia el agua y también provoca riesgos ambientales y de salud, tales como
la pérdida de tierra agrícola productiva debido a la saturación, un problema grave
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en algunas áreas del sur de Asia; asimismo, el agua estancada provoca la
transmisión de la malaria. En la tabla 1 se muestra la distribución del agua en el
planeta.
Tabla 1 Distribución de agua en el planeta.
Adicional al problema, también hay efectos sobre el clima por la escases del vital
líquido. La reducción de acuíferos o sobreexplotación y bombeo de agua aumenta
la cantidad total de agua de la hidrósfera y los procesos de evaporación, lo que
provoca acumulación de vapor de agua y nubes. La adición de agua al sistema
tiene un efecto sobre el sistema de obligar a toda la tierra a absorber más. Por
ende es la escasez de agua, un problema mundial de todos nosotros.
En nuestros días, los proyectos de ingeniería son cada vez más complejos debido
al avance de la tecnología. Constantemente hay nuevos inventos e innovaciones
que cumplen la función de ayudarle al hombre a facilitar su trabajo y vivir
cómodamente con el mínimo esfuerzo. Los ingenieros mecánicos, deben de ser
profesionales en el momento de proponer y/o desarrollar alguno, ya que al
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desafiar a la naturaleza, muchas veces puede ser tan benéfico como
contraproducente.
Para el ingeniero mecánico en el área hidráulica, existe la toma de decisiones y de
rutas para la adquisición de equipos y elementos necesarios para el desarrollo de
los proyectos. Por esa razón, es importante la adquisición de los mejores equipos
y opciones para lograr el éxito que cada proyecto requiere y con la menor
inversión posible.
Basado en los estudios socioeconómicos de los diferentes estratos sociales de la
población, es necesario aplicar mejores técnicas y procedimientos para el máximo
aprovechamiento y el uso de un sistema de agua potable, por lo que se hace
necesaria una innovación al sistema hidráulico local.
La finalidad de este proyecto es determinar procedimientos prácticos para el
planteamiento de soluciones adecuadas a diferentes problemas en relación con el
suministro de agua potable. Conocer los lineamientos que se deben seguir al
proyectar un sistema proporcionando un conocimiento general sobre los aspectos
mínimos necesarios, así como también una aplicación práctica para un
mantenimiento permanente de este equipo, aunado a los planes existentes del
mantenimiento general, entre otros.
Es por eso que se propone la selección de equipos de bombeo (bombas, motores
eléctricos, tuberías, accesorios, etc.) en su primera etapa, así como también un
programa de mantenimiento para estos equipos, sumado a planes ya propuestos y
en uso para garantizar la operación continua.
Se pretende de igual forma que esta solución no sea un caso particular, sino servir
de ejemplo en todos aquellos problemas semejantes a este, siendo punta de lanza
para la detonación de más proyectos para el municipio de Minatitlán, Veracruz.
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Capítulo I
Generalidades
En este capítulo se mostrarán algunos aspectos históricos de la región sur de
Veracruz, donde se encuentra enclavada la ciudad de Minatitlán, y como se ha
desarrollado a lo largo del tiempo, desde el establecimiento de la cultura Olmeca,
hasta nuestros días, y cómo ha sido punto de referencia económica política y
social para ello. También se explicarán algunos conceptos importantes para
introducir de lleno al tema central de estudio, haciendo referencia de los recursos
naturales renovables con los que cuenta.
1.1 Antecedentes históricos de la región
La cultura Olmeca fue una civilización que habitó en las tierras bajas del centro-
sur de México, durante el periodo Preclásico Medio, abarcando la parte sureste del
estado de Veracruz y el oeste de Tabasco conocida como Llanura Costera del
Golfo de México, comprendida entre los ríos Papaloapan y Grijalva ocupando un
área de 18.000 kilómetros cuadrados, y se desarrollaron entre los años 1200 a.C.
hasta alrededor del año 400 a. C.
Fig.1 Zona Olmeca, entre los ríos Papaloapan y Grijalva
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Minatitlán, es cabecera del municipio del mismo nombre, fue un puerto de altura
a orilla del río Coatzacoalcos.
De 1731 a 1735, Minatitlán contaba con numerosos aserraderos y era conocido
como «Paso de la Fábrica» , siendo en este lugar donde se construyó
un astillero y el primer navío que se llamó “Nueva España”; ya existía Tacoteno,
lugar por donde pasó Hernán Cortes en su viaje a las Hibueras; por razones
de fonética lo llamó Tlacotenco.
En 1826, Tadeo Ortiz fundó el pueblo de Minatitlán, con una fracción de terreno
que cedió Francisco de Lara y Vargas habitante del municipio de Chinameca,
Veracruz. En 1829, Minatitlán se especializa en la venta
de ganado y madera como principales productos. En 1830 se reciben a 836
ciudadanos franceses en 10 viajes, para colonizar la ribera del río Coatzacoalcos,
los cuales se asentaron en la zona.
El 25 de julio de 1852, se otorga a Minatitlán la escritura de su fundo legal por el
señor. Francisco de Lara y Cervantes, en representación de su padre Francisco
de Lara y Vargas, que en total, dona 105 hectáreas de su propiedad. En 1853
Antonio López de Santa Ana, decreta que Minatitlán se convierta en Villa y
Cabecera del territorio de Tehuantepec, rango que conserva hasta febrero de
1857. Se convierte en cabecera de Cantón hasta 1917, cuando se promulga la
Constitución Mexicana.
En 1901 la empresa Pearson & Son LTD, inicia las exploraciones de petróleo en la
congregación de Emilio Carranza, perteneciente al municipio de Minatitlán. El 5 de
Septiembre de 1910 con el motivo de la celebración del Centenario de la
Independencia, se firma el decreto que eleva al rango de ciudad la Villa de
Minatitlán.
Etimológicamente, Minatitlán es un neologismo náhuatl: Mina, saeta o flechas y
titlán, lugar o tierra de, por consiguiente, significa “Tierra de Flechadores”.
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Localización geográfica
El municipio de Minatitlán, está enclavado en la región sur del Estado de Veracruz,
en la región conocida como “El Istmo”. A continuación se muestra la ubicación del
municipio en el mapa del Estado.
Fig. 2 Municipio de Minatitlán, Veracruz
Límites
Limita al norte con el municipio de Coatzacoalcos y Cosoleacaque; al noreste
con el municipio de Ixhuatlán del Sureste, al este con Moloacán y Las Choapas, al
sur con Uxpanapa, y al suroeste con los municipios de Hidalgotitlán y Jáltipan de
Morelos.
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Fig.3 Colindancias del Municipio de Minatitlán, Veracruz
Ubicación
El municipio de Minatitlán, está localizado en las coordenadas Latitud 17º 59’ 00’’
Norte y Longitud 94º 33’ 38’’ Oeste con respecto al Meridiano de Greenwich. Se
encuentra a 40 metros sobre el nivel del mar (msnm) con extensión
territorial 4,123.91 km2, cifra que representa el 5.66% total del estado de
Veracruz.
El acceso al municipio puede hacerse desde la Ciudad de México, tomando la
carretera federal 150D (Autopista México – Puebla, Córdoba – Puebla, Córdoba –
Veracruz) y la carretera federal 145D (Autopista Córdoba – Minatitlán) con una
distancia de 589 km entre ciudad y ciudad; existen de igual forma itinerarios de
varias aerolíneas comerciales que tiene vuelos programados entre el Distrito
Federal y Minatitlán diariamente.
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Fig. 4 Extensión de la zona urbana de Minatitlán, clasificada por barrios.
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Hidrografía
Actualmente la población de Minatitlán tiene dos fuentes de abastecimiento, una
superficial y una subterránea. La superficial corresponde a la captación de parte
de los escurrimientos superficiales del río Tezizapan y Ocotal mediante la presa
derivadora Yuribia, que se encuentra localizada en la sierra de San Pedro
Soteapan, en el km. 3 de la cabecera municipal de Tatahuicapan de Juárez, Ver.
La subterránea está determinada por el aprovechamiento del manto acuífero que
subyace a la ciudad de Minatitlán, a través de pozos profundos ubicados dentro de
la mancha urbana.
La micro cuenca del río Tezizapan-Huazuntlán, es de vital importancia, ya que su
ubicación estratégica enclavada en la Sierra Santa Marta, dentro de la reserva de
la biosfera de los Tuxtlas, la hace importante por la captación de agua para la
presa Yuribia.
Corrientes
El municipio cuenta con abundante red de corrientes fluviales, destacando los ríos
Coatzacoalcos, Uxpanapa y Coachapa arroyos, lagunas y pantanos tributarios del
río Coatzacoalcos. Cada año, las abundantes lluvias en la región causan
desbordes y afectan gran parte del territorio municipal, especialmente la población
asentada a orillas de caudales en comunidades de su extensa área rural.
Lagos y lagunas
Las lagunas que sobresalen en el área son las de Sontecomapan, del Ostión,
Tortugueros, Presa Cangrejera y canales naturales.
No existen lagos, únicamente lagunas de regular Importancia que limitan la
navegación a cayucos y embarcaciones menores de poco calado.
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Clima
Generalmente, el clima que predomina es cálido húmedo, con temperatura media
anual de 28°C; con lluvias abundantes en verano y principios de otoño; en los
meses de Mayo y Junio se registran las temperaturas más altas, de 42 a 44°C; en
invierno, en los meses de Enero y Febrero principalmente, las temperaturas más
bajas no rebasan los 14°C. El municipio presenta diversos subtipos climáticos,
determinados por la variación ambiental de la sierra, que produce un efecto de
sombra pluviométrica hacia las llanuras del Oeste, las laderas Este atrapan la
humedad proveniente del Golfo de México, por lo que se presentan precipitaciones
de 3,000 a 4,000 mm anuales.
Orografía
El municipio se encuentra ubicado en la zona Ístmica del Estado; la mayor parte
de su suelo es de extensas llanuras propicias para la agricultura y ganadería, así
como también cuenta con una vasta zona selvática, enclavada en las áreas
montañosos del área rural en la parte Sureste, donde hay una rica biodiversidad,
que es verdadero atractivo para el turismo de aventura y diferentes actividades
como rapel, tirolesa y fotografía, investigación, etc. En la siguiente figura se
mostrará el relieve del Estado de Veracruz y de la región de Minatitlán.
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Fig. 5 Mapa de la zona orográfica del estado de Veracruz – Llanura Costera del Golfo Sur.
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Fig. 6 Minatitlán, Veracruz se encuentra al sur del Estado de Veracruz, en el área llamada
Llanura Costera del Golfo
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Flora y fauna
Aquí podremos encontrar una gran variedad de árboles, como son algunas por
mencionar: caoba, cedro rojo, ceiba, guayacán y chaca; chicozapote, majagua,
jobo y pimienta gorda, palma camedora, hoja fresca, molinillo, cedrillo, el jobo,
tzitsum, matamba, palo mulato, alacrán, ramón colorado, huichichi, entre otros.
Asimismo en cuanto a flora, frutos silvestres y plantas se ha detectado en este
Corredor Biológico, diversas variedades de orquídeas, tulipanes, bromelias, higos,
hongos, pomelos, maracuyá, mamey, zapote, guanábanas, plantas epífitas,
trepadoras y estranguladoras.
Con respecto a la fauna sobresalen: jabalí, tigrillo, faisán, guacamaya, tucán,
jaguar, nutria (perros de agua) y el puma, y de especies de aves en peligro de
extinción como, pericos, faisanes, búhos y loros, entre otros.
Economía
La base económica del municipio y/o región se basa en la industria petrolera, ya
que aquí se concentra la Refinería más grande de Pemex “General Lázaro
Cárdenas del Río” (hasta 2004), produciendo 185 000 (bpd) de Petróleo Crudo
solo detrás de las Refinerías “Antonio Dovalí Jaime” de Salina Cruz, Oaxaca y
“Miguel Hidalgo” de Tula de Allende, Hidalgo y la más antigua del país y la
Latinoamérica, fundada en 1906.
Cuenta con grandes plantas productoras de gas industrial, productos químicos,
medicinales y fertilizantes, embotelladoras y centros de distribución regional.
También hay una Central de Abastos Regional y seis mercados populares;
infraestructura hotelera con 4 y 3 estrellas.
Sin dejar a un lado, también este municipio cuenta con actividad de ganadería,
pesca y explotación forestal.
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Población
Día con día el crecimiento de población va en aumento de una forma aplastante
para cualquier región del mundo y Minatitlán no es la excepción. Para ello es
necesario crear planes y programas de desarrollo urbano y esto conlleva al uso
de servicios básicos como agua potable y alcantarillado. Derivado de la
experiencia y la historia, este municipio se encuentra en constante crecimiento ya
que es una zona industrial petrolera, por lo que ha provocado un constante
crecimiento en la población, aunque en la mayoría de las veces, gran cantidad de
la gente que llega solo está de paso, pero en algunas ocasiones se queda a
radicar y es necesario tomar esta variable para el cálculo del proyecto. A
continuación, se presentará un cuadro comparativo de crecimiento de población
donde se expondrá cuál ha sido la tendencia o tasa de crecimiento de los últimos
años.
Tabla 2 Taza de crecimiento de población en Minatitlán, Veracruz.
De acuerdo al último censo realizado por el Instituto Nacional de Estadística y
Geografía, INEGI (2010), Minatitlán cuenta con 157,840 habitantes distribuidos en
43,070 hogares con un total de 3.6 hab/hogar. De acuerdo con datos obtenidos de
la Oficina Técnica de la Comisión Municipal del Agua (CMAS – CAEV), se tienen
registrados 31,462 tomas de agua potable.
1990 1995 2000 2005 2010
195,523 hab. 202,965 hab. 153,001 hab. 151,983 hab. 157,840 hab.
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Crecimiento de la población
Los factores que inciden directamente y que se consideran como el crecimiento de
población son varias y se reflejan directamente para los cálculos de este trabajo;
por ejemplo,
Temporada de estiaje.
Creación y ampliación de colonias.
Periodos de calor (aquí se consume más agua y por ende se requiere más
gasto).
Fallas en el sistema de tuberías (Fugas de agua).
Fallas en el sistema Yuribia
Lodos y Contaminación
Etc.
La necesidad que llevo a cabo a pensar y planear este proyecto es debido a que
desde su puesta en marcha de la presa Yuribia (1984), el sector campesino y
obrero – popular ha visto en sus instalaciones una forma de llamar la atención de
los gobiernos municipales y el estatal, privando del vital líquido a la población del
sur del estado. De esta forma presionan para que sean escuchados y sus
demandas sean cumplidas por las autoridades. Es aquí donde radica el objetivo
general de buscar alternativas para el suministro de agua a las ciudades. Para
Minatitlán, parte de su acervo hidráulico proviene de pozos profundos. En la
actualidad, la Comisión Municipal del Agua cuenta con 12 pozos profundos
trabajando a diferentes capacidades y a diferentes profundidades, que varían
desde los 86 m hasta los 240 m; algunos están pronto a desaparecer, ya que les
hace falta mantenimiento y como es equipo viejo y con tecnología obsoleta, que
con algún derrumbe pueden dejar de ser útiles. Por eso, este trabajo propone la
perforación de 6 pozos más, que aunados a los que están trabajando, podrían
ayudar en suministrar el caudal necesario para el uso diario requerido por medio
de equipos y tecnología de última generación.
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Tipo de suelo
La clasificación de los suelos se realiza por el tamaño de las partículas que lo
componen, es decir la “Composición Granulométrica”, el Límite Líquido y el Índice
de Plasticidad, dicha clasificación es realizada por la entidad AASHO (American
Association of State Highway and Transportation Officials) o Asociación Americana
de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportes.
En el cuadro siguiente se presenta la clasificación de las partículas del suelo, las
que se clasifican en consideración a su diámetro.
Tabla 3 Tipo de partícula y diámetro de las partículas del suelo
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1.2 Nociones de hidrogeología
Aguas subterráneas
Generalidades
El agua que se infiltra en el suelo se denomina agua subsuperficial, pero no toda
se convierte en agua subterránea. Tres son los hechos fundamentales que tienen
relación con esta agua. Primero, que puede ser devuelta a la superficie por
fuerzas capilares y evaporada hacia la atmósfera, ahorrándose así gran parte de
su recorrido dentro del ciclo hidrológico descrito. Segundo, que puede ser
absorbida por las raíces de las plantas que crecen en el suelo, ingresando de
nuevo a la atmósfera, a través del proceso de la evaporación. Tercero, que la que
se ha infiltrado profundamente en el suelo, puede ser obligada a descender por la
fuerza de gravedad hasta que alcance el nivel de la zona de saturación que
constituye el depósito de agua subterránea y que abastece de la misma a los
pozos.
Las aguas de infiltración penetran en el suelo y el subsuelo. Para el estudio de las
aguas subterráneas el suelo y el subsuelo no pueden ser separados y constituyen
un complejo único.
Es preciso conocer que, desde el punto de vista geohidrológico, existen dos
grandes tipos de rocas:
Las rocas con permeabilidad de intersticios o de pequeña permeabilidad,
como las arenas y las gravas.
Las de permeabilidad de fisuras o de gran permeabilidad, donde el tipo
predominante es la roca calcárea.
Siendo una formación permeable aquella que además de ser porosa, tiene los
poros conectados entre sí, por lo que permite que se almacene agua y se
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desplace a través de ella.
Distribución vertical de las aguas subterráneas
Para comprender las manifestaciones del agua subterránea, se requiere estudiar
la distribución vertical de ésta dentro de los materiales geológicos
subsuperficiales. A mayor o menor profundidad todos los materiales de la corteza
terrestre, son normalmente porosos. Los poros o aberturas pueden encontrarse
parcial o totalmente saturados de agua.
Fig. 7 Distribución del agua subterránea en el planeta.
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a) Zona de aireación
Es el estrato superior, en donde los poros o aberturas están sólo parcialmente
llenos de agua. Esta zona se divide en tres franjas:
La humedad del suelo. Es importante para la agricultura, puesto que
suministra el agua necesaria para el crecimiento de las plantas.
La franja intermedia. Escapa del alcance de la raíces de la mayoría de las
plantas. Su espesor varía de acuerdo con los tipos de suelo y de la
vegetación.
La franja capilar: Sólo en algunos casos las raíces de las plantas alcanzan
esta franja. El espesor de esta franja varía en razón inversa a la
granulometría y depende del tamaño de los granos del material.
b) Zona de saturación
Se encuentra por debajo de la zona de aireación, los poros o aberturas se
encuentran completamente llenos de agua. También se le llama zona de agua
sostenida. Es el dominio de las aguas subterráneas pudiendo alimentar los pozos
y las fuentes. Las aguas de infiltración se localizan en esta zona, llamaremos a
esta zona de saturación Capa o Manto Acuífero.
La parte superior, límite de la zona de saturación es una superficie de equilibrio, la
presión del agua es igual, en todos los puntos, a la presión atmosférica; es la
superficie libre de las aguas subterráneas o Nivel Freático.
Podemos decir entonces que la zona de saturación es aquella comprendida bajo
el nivel freático.
Acuífero
Se llama formación acuífera a cualquier estrato geológico capaz de almacenar y
transmitir agua. Por consiguiente, para que un pozo produzca agua se necesita
que esté en contacto con una formación acuífera.
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Las formaciones ígneas y metamórficas por lo general no dan paso al agua debido
a que son poco permeables. Estas formaciones sólo permiten el paso del agua a
través de grietas o canales formados en ellas.
Las rocas y formaciones de tipo sedimentario constituyen la mayoría de los
acuíferos, debido a que son los más porosos y las más permeables.
Por lo tanto, definimos a un acuífero como una capa superior del agua
subterránea.
Tipos de acuífero
a) Acuíferos de nivel freático
Son los acuíferos que tienen la parte superior del agua contenida en ellos a
presión atmosférica. En los pozos perforados en estos acuíferos se encuentra el
agua tan pronto como se llegue a la zona saturada, constituyendo este nivel de
saturación al nivel estático del agua.
b) Acuíferos artesianos
Son los acuíferos que tienen el agua sometida a presión por encontrarse entre dos
capas impermeables que la confinan. Cuando al hacer una perforación se rompe
la capa confinante superior, el agua sube hasta el nivel estático, que está
determinado por un agente de recarga (río, lago, escurrimiento, etc.) en contacto
con el acuífero.
Funciones del acuífero
Las funciones más importantes que realiza un acuífero son dos: almacenar agua y
conducir agua. Este almacena agua sirviendo como depósito y transmite agua
como lo hace un canal. Los poros o aberturas de una formación acuífera le sirven
tanto de espacio de almacenamiento como de red de conducción.
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El agua subterránea se mueve constantemente a través de distancias extensas y
desde las áreas de carga hacia las de descarga. El desplazamiento es muy lento
con velocidades que se miden en metros por día o metros por año. Como
consecuencia de ello y del gran volumen que su porosidad representa, un acuífero
tiene grandes cantidades de agua de almacenamiento.
En la tabla 6 se resumen algunas características de los acuíferos artesianos y
freáticos.
Tabla 4 Características de los acuíferos artesianos y freáticos.
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Fig. 8 Localización de los mantos acuíferos artesianos y freáticos.
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1.3 Tipos de pozos
Un pozo de agua es una obra de captación vertical que permite la explotación del
agua freática o manto freático contenida en los intersticios o las fisuras de una
roca del subsuelo, en lo que se denomina acuífero. El agua puede llevarse hasta
el nivel del suelo de manera sencilla con ayuda de un recipiente (una cubeta, por
ejemplo) o más fácil o comúnmente con una bomba sumergible o de pozo
profundo. Los pozos y las perforaciones presentan una gran diversidad en
sus profundidades, volúmenes de agua y pureza de la misma.
Hasta donde se tiene conocimiento, fueron los persas los que construyeron
túneles y pozos para interceptar fuentes de agua subterránea. Los egipcios y
chinos llegaron a estar en la capacidad de hacer agujeros para obtener agua
subterránea (2100 a.C.).
El pozo más famoso de la antigüedad, ubicado en el Cairo, fue construido por Josué y es conocido como el “Pozo de Josué”.
Para el Siglo XII, en la zona conocida como Artois, Francia, la tecnología de perforación de pozos avanzó considerablemente; de esta región es de donde deriva el término artesiano.
La ciencia de la perforación a gran profundidad recibió un gran impulso en la región de Passy, cerca de París, Francia en el año 1857, alcanzando los 587 m de profundidad.
Los pozos se clasifican en cinco tipos de acuerdo con el método de construcción:
1. Pozo excavado
Es aquel que se construye por medio de picos, palas, etc., o equipo para excavación. Son de poca profundidad y se usan donde el nivel freático se encuentra muy cercano a la superficie. Su principal ventaja es que pueden construirse con herramientas manuales, además su gran diámetro proporciona una considerable reserva de agua dentro del pozo mismo.
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2. Pozo taladrado
Aquel en que la excavación se hace por medio de taladros rotatorios, ya sean
manuales o impulsados por fuerza motriz. Su principal ventaja es que pueden
construirse con herramientas manuales, además su gran diámetro proporciona
una considerable reserva de agua dentro del pozo mismo.
3. Pozo a chorro
Aquel en que la excavación se hace mediante un chorro de agua a alta presión. El
chorro afloja el material sobre el cual actúa y lo hace rebalsar fuera del hueco.
4. Pozo clavado
Aquel que se construye clavando una rejilla con punta, llamada puntera. A medida
que esta se calva en el terreno, se agregan tubos o secciones de tubos
enroscados. Son de pequeño diámetro.
5. Pozo perforado
Los pozos perforados son los más profundos de los cinco tipos y se extienden
hasta profundidades de 30.48 m a 121.92 m, en la roca firme en vez del suelo
flojo. Son los que están más a salvo de la contaminación ambiental. Los pozos
perforados tienen que cruzar fracturas de rocas firmes que poseen agua
subterránea para poder producir un suministro de agua. Los armazones para los
pozos perforados son tuberías de plástico o metal de 0.15 m de diámetro que se
extienden al menos 5.48 m hacia abajo de los 100 a 400 m. Se evita que el agua
de la superficie ingrese al pozo colocándole una tapa.
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1.4 Panorama actual del sistema
Se debe de tener en cuenta toda y cada una de las características específicas de
un equipo de bombeo para su selección y su funcionalidad como son algunas por
mencionar: carga dinámica total, la potencia requerida por la bomba, eficiencia del
equipo, etc.
Los siguientes estudios son necesarios e indispensables para la mejor realización
de un proyecto hidráulico:
a) Estudios de la localidad
b) Levantamiento topográfico
c) Estudio geológico
d) Vías de comunicación
e) Estudio económico
f) Operación
g) Economía de la Obra
h) Inversiones
i) Sustentabilidad
j) Amabilidad con el medio ambiente
k) Etc.
Pozo profundo
El proyecto consiste en la selección de un equipo de bombeo calculado de forma
técnica – económica y proyectarlo para la perforación de varios pozos profundos
que, junto al caudal que aporta la presa Yuribia, pueda cumplir el gasto necesario
para suministrar agua potable a la población de la ciudad de Minatitlán de forma
segura y continua. La fuente de abastecimiento común es un pozo que tiene
profundidades entre los 120 m y 150 m esta perforado en materiales tipo domo
salino, calizos, lutita, lutita – arenisca y arenisca así como un conglomerado tipo
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policmìtico depositado en un ambiente marino de aguas someras. Su color es
rojizo.
Diámetro del ademe
Es importante conocer el diámetro del ademe (355.6 mm) 14” donde se va a
instalar el equipo de bombeo ya que este diámetro limita el tamaño del diámetro
de la bomba que se puede introducir en él.
También es importante que entre el diámetro exterior del cuerpo de tazones y el
diámetro interior del tubo del ademe debe de haber mínimo 2” de separación para
que se facilite la instalación de la bomba. En la figura 9 se muestra las
dimensiones e ilustración del pozo y ademe del mismo.
Fig. 9 Diámetro de Ademe
Profundidad del pozo
Las profundidades de los pozos fluctúan entre los 120 m y 150 m, incluso hasta
los 240 m y se consideran dependiendo las capas y niveles de los acuíferos.
Contra ademe 24”
Ademe
14”
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La calidad del agua y el gasto – explotación deseado, la profundidad a la que se
debe de colocar el equipo, así como las dimensiones del tubo de succión y la
pichancha permite también establecer la profundidad del pozo.
Niveles de bombeo
Nivel estático (NE)
Es la distancia vertical que existe entre la línea central de la bomba o línea de
centros de la bomba de eje horizontal, hasta el nivel libre del agua, cuando ésta no
está siendo bombeada, es decir, el nivel en el cual se estabiliza el agua del pozo.
El nivel estático del pozo por lo general estará entre los 12 y 25 metros.
Nivel dinámico (ND)
Es la distancia vertical desde la descarga de la bomba o línea de centros de la
bomba de eje horizontal, hasta el nivel el cual se mantiene cuando es bombeada
el agua, a cualquier velocidad. El nivel dinámico del pozo fluctuará entre los 42, 70
y 105 metros.
Abatimiento
Es la reducción del nivel de agua en un pozo debido al bombeo continuo, es decir,
es la diferencia entre el nivel dinámico y el nivel estático variará de los 25 a los 70
metros, habiendo una diferencia de 45 metros, aproximadamente.
Aforo
El aforo de un pozo consiste en determinar la máxima cantidad de agua que
puede sustraerse de él, manteniendo constante el nivel dinámico de agua en el
pozo. El caudal aforado del pozo tentativamente será de 20 a 70 l/s.
Conducción
El agua que proviene del vaso regulador Yuribia tiene como origen la sierra de
Santa Martha, en el municipio de Tatahuicapan de Juárez. Corre alredor de 55 km
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hasta la ciudad de Minatitlán. En la figura 10 se puede apreciar la localización de
la presa, cuya cuenca de captación de arroyos tiene una extensión geográfica
aproximada de 5852.9 hectáreas distribuida en 10 ejidos con territorio dentro de
ella y un área de 486 hectáreas, y la figura 11 muestra la distancia que hay entre
la posición de la presa Yuribia y los dos municipios más grandes e importantes de
la región sur del Estado, Minatitlán y Coatzacoalcos.
Fig. 10 Presa Yuribia, plano de barrio – ejidal.
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Fig. 11 Distancia entre la Presa Yuribia y los municipios de Minatitlán y Coatzacoalcos, Ver.
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1.5 Consumo actual y fuentes de abastecimiento
Las fuentes de abastecimiento, como ya se mencionó anteriormente son dos: por
medio de la presa Yuribia y por medio de pozos profundos.
La presa se localiza a 55 kms de la ciudad de Minatitlán, en las coordenadas 18º
16’ 9” Norte y 94º 46’ 13” Oeste y sus fuentes de abastecimiento son los ríos
Ocotal y Tezizapan que bajan de la zona montañosa de la Sierra de Santa Martha,
en Tatahuicapan de Juárez, Ver.
Veracruz, en el marco del IV Foro Mundial del Agua 2006 expone:
“La precipitación media anual en el estado es de 1,484 milímetros, prácticamente
el doble dela media nacional que es de 772 mm (CNA). El potencial hídrico
superficial del estado de Veracruz es de los más altos del país, al tener un
escurrimiento superficial anual medio de 121 mil millones de m3, que representa el
33% de todo el escurrimiento superficial del país.
De esta cantidad, en Veracruz se generan 62.2 mil millones de m3, proviniendo el
resto (58.9 mil millones de m3) de los estados colindantes de Tamaulipas, San
Luis Potosí, Hidalgo, Puebla, Oaxaca y Tabasco. Los principales ríos del Estado,
de Norte a Sur, son el Pánuco, Tuxpan, Cazones, Tecolutla, Nautla, Misantla,
Actopan, La Antigua, Jamada-Cotaxtla, Blanco, Papaloapan con sus afluentes San
Juan y Tesechoacán, Coatzacoalcos con su afluente Uxpanapa y Tonalá. Las
corrientes principales son complementadas en la hidrografía estatal por una gran
cantidad de cuerpos de agua y pequeños cauces”.
El principal problema que se presentan en la planta potabilizadora es que el vaso
de la presa se encuentra muy azolvado, de igual manera, la compuerta radial
ubicada sobre el canal desarenador ha permanecido cerrada y sin operar por
varios años, lo cual ha favorecido a aumentar la sedimentación de arenas y
sólidos en el lecho del río, provocando una acumulación más rápida que el
estimado. Lo anterior ha provocado que la planta potabilizadora reciba los
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 40
volúmenes de agua tal y como llegan al vaso, con altas turbiedades en la época
de lluvia debido a las precipitaciones en la cuenca de aportación.
La planta potabilizadora opera en condiciones normales con una turbiedad de
hasta 50 partes por millón (ppm), una vez que el rango está entre ésta última y las
100 ppm se comienza a disminuir el gasto tratado, llegando al cierre total de las
válvulas al rebasar éste último parámetro. Dentro de la escala que se tiene
considerada, se han llegado a contabilizar hasta 2,000 ppm para tener una idea de
las condiciones operativas que se llegan a presentar. Este problema provoca que
el suministro de agua para el consumo urbano de las ciudades de Coatzacoalcos y
Minatitlán disminuya, llegando a tener periodos prolongados en que se llega al
cierre total.
El aprovechamiento de los volúmenes de agua de los mantos acuíferos del
subsuelo de la ciudad de Minatitlán, se realiza mediante la operación de 12 pozos
profundos, ubicados dentro del área urbana. Todos los pozos están conectados a
la red de distribución directamente y brindan un servicio las 24 horas.
Para tener una idea más concreta, el promedio de suministro a la ciudad de
Minatitlán durante el año 2012 fue de 485.5 l/s, del cual correspondieron 175 l/s
del acueducto Yuribia y 310.5 l/s de los pozos profundos. Lo anterior se deriva de
que la Planta potabilizadora debe de enviar 250 l/s, sin embargo existen periodos
como los referidos anteriormente en que la alta turbiedad en los volúmenes de
agua de la presa Yuribia, y en la época de estiaje que los ríos que alimentan a la
presa derivadora disminuyen considerablemente, ocasionan que este gasto sea
cero; en los meses más críticos, el número de horas en que se ha tenido que parar
la operación de la planta potabilizadora ha llegado a 50 horas, además que en
periodos prolongados se ha tenido que disminuir.
Por lo anterior, cuando ésta no opera, la ciudad se queda únicamente con el
suministro de los pozos profundos.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 41
De acuerdo a la población actual (2014) la ciudad de Minatitlán y al cálculo de la
demanda de agua potable para esta población, a nivel de fuente de
abastecimiento, el gasto medio diario que se requiere es de 600 l/s; ahora bien, la
planta del Yuribia envía para la ciudad de Minatitlán en condiciones normales de
operación 250 l/s, pero en la actualidad el promedio que se recibe es de 175 l/s y
los pozos han suministrado en los meses de Enero a Diciembre del 2013, en
promedio 310.5 l/s, la suma de estos gastos es de 485.5 l/s, que es insuficiente
para satisfacer la demanda actual de la población.
Por consiguiente es necesaria la aplicación de proyectos hidráulicos para alcanzar
el caudal ideal para la ciudad y el área conurbada que es de 600 l/s. En virtud a
que solo podemos suministrar más agua potable por medio de mantos acuíferos
subterráneos, es debido a esto, que se ha decidido por la perforación de pozos
profundos,
El proyecto de la presa Yuribia surgió en el año de 1984, y a partir de ese año ha
ido decreciendo el gasto que suministra a los municipios del sur de Veracruz, con
más rigor con la zona de Coatzacoalcos, Minatitlán y su Zona Conurbada.
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Capítulo II
Ingeniería Básica
En cada uno de los proyectos de ingeniería existe un apartado para explicar los
conceptos e ideas sobre la rentabilidad y la viabilidad de los mismos. A este
estudio se le llama Ingeniería Básica también llamado Proyecto Básico o
Anteproyecto, y puede definirse como el conjunto de documentos que definen
inequívocamente el proyecto y su coste más favorable en un entorno dado.
La finalidad del siguiente capítulo, es la de explicar y dar datos precisos, para que
en un momento dado, se pueda realizar el cálculo detallado de los equipos y
accesorios y finiquitar el proyecto con garantías de éxito.
2.1 Descripción del equipo existente
Los sistemas de bombeo son estructuras destinadas a elevar un fluido desde un
nivel energético inicial a un nivel energético final. Su uso es muy extendido en los
varios campos de la ingeniería, así, se utilizan en:
Redes de abastecimiento de agua potable, donde su uso es casi
obligatorio, salvo en situaciones de centros poblados próximos de cadenas
montañosas, con manantiales situados a una cota mayor.
Red de alcantarillado, cuando los centros poblados se sitúan en zonas muy
planas, para evitar que las alcantarillas estén a profundidades mayores a
los 4 - 5 m.
Sistema de riego, en este caso son imprescindibles si el riego es con agua
de pozos no artesianos.
Sistema de drenaje, cuando el terreno a drenar tiene una cota inferior al
recipiente de las aguas drenadas.
En muchas plantas de tratamiento tanto de agua potable como de aguas
servidas, cuando no puede disponerse de desniveles suficientes en el
terreno.
Un gran número de plantas industriales.
Generalmente las estaciones de bombeo constan de las siguientes partes:
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Rejas.
Cámara de succión.
Las bombas propiamente dichas.
Línea de impulsión.
Servicios auxiliares:
o Dispositivos de protección contra el golpe de ariete.
o Línea de alimentación de energía eléctrica.
o Sistema de monitoreo y telecomunicaciones.
Se debe de tener en cuenta toda y cada una de las características específicas de
un equipo de bombeo para su selección y su funcionalidad como son algunas por
mencionar: carga dinámica total, la potencia requerida por la bomba, eficiencia del
equipo, etc.
Los siguientes estudios son necesarios e indispensables para la mejor realización
de un proyecto hidráulico:
a) Estudios de la localidad
b) Levantamiento topográfico
c) Estudio geológico
d) Vías de comunicación
e) Estudio económico
f) Operación
g) Economía de la Obra
h) Inversiones
i) Sustentabilidad
j) Amabilidad con el medio ambiente
k) Etc.
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2.2 Antecedentes del sistema de bombeo
Los orígenes del sistema de bombeo se datan entre los años 1984 y 1985 y entró
en operación en 1987 como un esfuerzo por hacer llegar el vital líquido a la
población de ciudades cada vez más en crecimiento. El sistema de bombeo
alimenta a la zona urbana y rural de Minatitlán, y es vital para el proceso industrial
que se lleva a cabo día con día, ya que las empresas no dejan de producir en
ningún momento, esa es una de las razones por las cuales tener el agua y hacerla
fluir sin interrupción es un reto que empezó hacia finales del siglo pasado en la
región.
La constitución del sistema es simple: algunos pozos cuentan con una bomba
vertical tipo turbina, que descarga a una línea de conducción directa a la red de
distribución (tenemos entendido como red de distribución a la red principal del
sistema municipal), y por otra parte, bombas sumergibles con motor eléctrico.
Como en cualquier localidad del estado, del país o del mundo, el crecimiento de la
población es un factor que afecta de forma directa a los servicios, ya que este
índice se ve reflejado en el consumo o en la demanda de los mismos, hacemos
mención primordialmente al agua potable que es el objeto de estudio de nuestra
investigación con este trabajo, la cual resulta escasa y eventualmente nula la
fuente de extracción, y sobre todo el servicio de agua potable es deficiente
actualmente a la población.
Con anterioridad este problema ya venía reflejando la carencia, por lo que se
pensó en perforar varios pozos. A la fecha y debido a la burocracia, los recursos
para tal efecto no han bajado del nivel estatal, según lo mencionado por el
personal administrativo y técnico de la Comisión Municipal de Agua y
Saneamiento de la ciudad. Por ende, este trabajo representa de cierta forma un
plan hídrico (técnico – económico) para lograr obtener el gasto necesario para
surtir a toda la ciudad y área conurbada del vital líquido.
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Un sistema de bombeo consiste en el conjunto de elementos que permiten el
transporte a través de tuberías y de almacenamiento temporal de un líquido, de tal
forma que se cumplan las especificaciones de caudal y de presión necesarios. Los
elementos que constituyen las unidades de bombeo son: bomba, motor, tuberías
de succión y descarga.
2.3 Pérdidas de carga de un sistema de bombeo
Para considerar el flujo real, deben tomarse en cuenta las pérdidas de carga o
energía que suceden debido a la resistencia al movimiento del mismo, ya sea en
el contacto del fluido con el conducto o cauce, en el rozamiento interno entre las
capas del fluido, o el rozamiento debido al intercambio del movimiento molecular
de las partículas del fluido. El cálculo de cargas se divide en pérdidas de cargas
primarias y pérdidas de cargas secundarias.
Pérdidas primarias (hL)
Las pérdidas primarias (hL) son las pérdidas de superficie en el conducto del fluido
con la tubería (capa límite) rozamiento de unas capas de fluido con otras (flujo
laminar), o de las partículas de fluido entre sí (flujo turbulento). Tiene lugar,
uniforme, por tanto principalmente en los tramos de tubería de sección constante.
Cálculo de pérdidas primarias
Las pérdidas primarias se calculan mediante la expresión
conocida también como la ecuación Darcy – Weisbach
en donde:
hL = Pérdidas de carga primaria, m.
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f = Coeficiente de rozamiento, adimensional.
L = Longitud de tubería, m.
D = Diámetro de la tubería, m.
V = Velocidad media del líquido en la tubería,
.
Pérdidas secundarias (hrs)
Las pérdidas secundarias, también llamadas menores, son las pérdidas de forma
que tienen lugar en los cambios de sección y dirección de la corriente, en las
contracciones, ensanchamientos, codos, diafragmas, válvulas de diferentes tipos,
en medidores de flujo, etc., y en general, en toda clase de accesorios de tuberías.
Si la conducción del fluido es larga como en los gasoductos y oleoductos, las
pérdidas secundarias tienen poca importancia relativa respecto a las pérdidas de
cargas primarias, pudiendo en ocasiones despreciarse las secundarias o
considerarse como un porcentaje pequeño de las pérdidas de carga primarias
cuantificadas.
Si la cuantificación es corta y bifurcada como el flujo de la mezcla aire – gasolina
en un carburador, donde las pérdidas de carga primarias son despreciables en
comparación con las pérdidas de carga secundarias obtenidas.
Cálculo de pérdidas secundarias
Las pérdidas secundarias se pueden calcular por dos métodos
El primero consiste en la aplicación de la ecuación especial y un coeficiente de
pérdidas secundarias (adimensional):
donde
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= Pérdidas de carga secundaria
k = Coeficiente adimensional de la pérdida de carga secundaria
= Velocidad media en la tubería.
El segundo método consiste en que, en la misma ecuación de las pérdidas
primarias, sustituyendo en dichas fórmula la longitud de la tubería, L por la longitud
equivalente, Le.
Éste método consiste en considerar las pérdidas secundarias como longitudes
equivalentes, es decir, longitudinales en metros de un trozo de tubería del mismo
diámetro que producirá las mismas pérdidas de carga que los accesorios en
cuestión. Se emplea la longitud equivalente (Le) implica homologar las pérdidas
secundarias con las primarias, es decir que se iguala a la pérdida de carga
secundaria que produce el accesorio, con la que ocasionaría una longitud
equivalente de la tubería del mismo diámetro del accesorio.
Aplicaremos la misma ecuación fundamental de las pérdidas primarias junto con la
ecuación de Darcy – Weisbach:
donde
= Suma total de pérdidas primarias y secundarias de carga, m.
k = Coeficiente de rozamiento, adimensional.
L = Longitud de tubería, m.
ΣLe = Suma de todas las longitudes equivalentes de los accesorios
D = Diámetro de tubería, m.
v = Velocidad media del líquido en la tubería (m/s)
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Tabla 5 Métodos de cálculo de pérdidas de carga
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2.4 Determinación de cargas en un sistema de bombeo
Carga estática de descarga (hd)
Es la distancia vertical en metros, entre el eje central de la bomba y el punto de
entrega libre del líquido. Debe tenerse cuidado con el punto de entrega libre del
líquido se use cuando se calcule la columna de descarga.
Carga estática de succión negativa (-hs)
Se tiene cuando la fuente de abastecimiento o suministro está por debajo de la
línea central de la bomba. Es decir, la distancia vertical en metros del nivel del
suministro del líquido al eje central de la bomba, encontrándose la bomba arriba
del nivel del suministro.
Así la altura estática de succión, es la distancia vertical que existe entre la línea
central de la bomba al nivel del líquido que va a ser bombeado.
Las distancias horizontales no se consideran como parte de la elevación de
succión estática. No se consideran las pérdidas por fricción en la tubería y sus
accesorios. En la figura 12 se muestran los diferentes arreglos para la carga
negativa.
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Fig. 13 Sistema con carga estática de succión positiva y negativa.
Carga estática de succión positiva (hs)
Se tiene cuando la fuente de suministro está por arriba de la línea central de la
bomba al nivel del líquido que va a ser bombeado. En la misma figura 12 se
muestra el arreglo del sistema de bombeo con carga estática de succión positiva.
Carga estática total (hT)
Es la distancia vertical en metros, entre el nivel libre de succión y descarga libre
del líquido que se maneja. La siguiente ecuación describe el enunciado:
donde
hT = altura total, m.
hd = altura de descarga, m.
1
1
-hs
-hs
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hs = altura de succión positiva o negativa, m.
Fig. 13 Sistema con carga estática de descarga, carga estática de succión positiva – negativa y
carga estática total.
Carga equivalente (heq)
Es la columna en metros del líquido que se maneja, equivalente y necesaria para
vencer la resistencia de las tuberías de succión, descarga y de sus accesorios. La
columna de rozamiento existe, tanto en el extremo de succión como en el de
descarga de una bomba y varía con la velocidad del líquido, tamaño del tubo,
condición interior del tubo y naturaleza del líquido que se maneje.
La resistencia de los aditamentos de los tubos generalmente se expresan en
función de la longitud equivalente de tubo recto de la misma dimensión de los
accesorios.
La carga se determina por la adición de pérdidas primarias y secundarias:
hs
hd hT
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2.5 Carga de velocidad
Es la carga de un líquido que se mueve a cualquier velocidad dentro de un tubo,
tiene energía cinética debido a su movimiento.
La carga de velocidad es la distancia de caída necesaria para que un líquido
adquiera una velocidad dada. Dependiendo de la naturaleza en la instalación de
bombeo, la columna de velocidad puede no ser un factor importante en la columna
de la bomba. Por ello, esta carga se determina por la siguiente ecuación:
2.6 Carga de presión
Esta carga está referida cuando se tiene un sistema de bombeo que empieza o
termina en un tanque presurizado, misma que debe convertirse a columna de
líquido.
2.7 Carga dinámica total (hA o CDT)
La carga dinámica total de bombeo se define como la suma total de resistencias
del sistema, correspondientes a la carga estática total, a la pérdida por fricción en
la tubería de succión y descarga y a la carga de velocidad.
Para determinar la carga dinámica total del sistema, se hace uso de la ecuación
de Bernoulli, y que aplicada a un sistema de bombeo como el mostrado en la
figura 14.
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Fig. 14 Parámetros para determinar la carga dinámica total del sistema de bombeo.
Se tiene que
Despejando
Ecuación para determinar la carga total o carga dinámica total
Carga estática
de Descarga (hd)
Carga Estática de Succión (hs)
Punto de Referencia
Z1
Z2
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2.8 Carga Neta Positiva de Succión (NPSH)
Una parte importante del proceso de selección de la bomba es garantizar que la
condición del fluido que entra a la bomba sea la apropiada para mantener el flujo
completo del líquido. El factor principal es la presión del fluido en la entrada de la
bomba, al que es común llamar puerto de succión. El diseño del sistema de
tubería de la succión debe proporcionar una presión lo suficientemente alta para
evitar que se desarrollen burbujas de vapor dentro del fluido en movimiento,
condición que recibe el nombre de cavitación, que más adelante se explicará con
mayor detalle.
Por otra parte, la propiedad del fluido que determina las condiciones en que se
forman las burbujas de vapor en un fluido, es la presión de vapor, pvp, que es
común reportar como presión absoluta en kPa o psia.
La Carga Neta Positiva de Succión o NPSH (Net Positive Suction Head), es la
carga que hace que el líquido circule por la tubería de succión hasta el ojo del
impulsor.
Esta carga que hace que el líquido circule es producida ya sea por la presión
atmosférica o por una carga estática más la presión atmosférica. Éste análisis de
energía en la tubería de succión de una bomba es para determinar si un líquido
puede o no vaporizarse en puntos de baja presión, debido a que esta cantidad de
energía es limitada, es necesario extremar las precauciones para evitar un
funcionamiento anormal por insuficiencia de NPSH.
El NPSH es una medida de la cantidad de carga existente en la succión para
prevenir la vaporización del líquido en el punto de menor presión de la bomba.
Hay dos valores de NPSH que deben considerarse:
La Carga de Succión Positiva Neta Requerida (NPSHR).
La Carga de Succión Positiva Neta Disponible (NPSHD).
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El NPSHR es la carga positiva en la succión de la bomba necesaria para vencer
las pérdidas de presión y mantener el líquido arriba de su presión de vapor, es
determinado por el fabricante, éste depende solamente del diseño de la bomba y
se obtiene del fabricante, para cada bomba en particular, según el tipo, modelo,
capacidad y velocidad.
El NPSHD es característico de la instalación, especialmente depende de la succión
o elevación, la carga de fricción y la presión de vapor del líquido manejado a la
temperatura de bombeo. Si varía cualquiera de estos puntos, el NSPH puede
alterarse. Debe cumplirse la siguiente desigualdad:
El NPSH siempre debe de tener un valor positivo, y puede determinarse con las
siguientes ecuaciones:
donde
pabs = Presión absoluta en la superficie libre del líquido, esta presión
no corresponde a la atmosférica cuando el suministro se hace
de un tanque abierto o cárcamo. Corresponde a la presión
absoluta cuando el tanque de succión está cerrado.
hs = Altura estática en, m.
hrs = Todas las pérdidas en la línea de succión, en m, incluyendo
las pérdidas de entrada y de rozamiento a través de la tubería,
válvulas y accesorios.
pv = Carga en m, correspondiente a la presión de vapor del líquido
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a la temperatura de bombeo.
Otra forma particular de calcular el NPSHD es la siguiente:
donde
pgs = Lectura del manómetro de succión de la bomba.
hv = Carga de la velocidad en el punto de conexión del manómetro.
Se muestran en las siguientes figuras los diferentes tipos de instalación
para calcular el NPSH:
Caso I: Tanque con carga de succión hs
hs
E
Fig. 15 Tanque abierto con carga de succión hs.
(Ec. 12)
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Caso II: Tanque cerrado con carga de succión negativa –hs
p
Tanque cerrado
hs
E
Fig. 16 Tanque cerrado con carga de succión hs.
Caso III: Tanque abierto con carga de succión negativa –hs
E
Fig. 17 Tanque abierto con carga de succión negativa, -hs.
hs
(Ec. 13)
(Ec. 14)
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2.9 Factores indeseables en un sistema de bombeo
Golpe de ariete
El golpe de ariete se define como el cambio de presión por arriba o debajo de la
línea de centros de la bomba y originado por los cambios súbitos en la razón de
flujo de agua. En el caso de estaciones de bombeo, el cambio súbito en la razón
del flujo de agua, ocurre durante el paro y arranque de la bomba debido al cierre
brusco o apertura de la válvula de no retorno con que están equipadas todas las
instalaciones de bombas.
Conforme la compuerta de la válvula empieza a cerrar una onda positiva de
presión empieza a viajar desde ese punto, por la tubería de descarga y la tubería
de presión o el emisor hasta la descarga, como se muestra en la figura 18.
Fig. 18 Esquema del Golpe de Ariete.
De la descarga, la onda es reflejada como una onda negativa que regresa por la
tubería y que la misma magnitud que la onda positiva.
En la actualidad, existe una válvula anticipadora de golpe de ariete que protege a
los equipos de bombeo de la onda de sobrepresión causada por el paro de la
bomba o un fallo de energía eléctrica.
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Esta válvula opera con la presión de la línea de conducción, y el nombre de
anticipadora se debe a que entra en funcionamiento antes de la llegada de la onda
de sobrepresión. Éste tipo de válvulas realiza la apertura mediante la activación de
una válvula solenoide al ocurrir la falla de la energía del motor o cuando baja la
presión hasta un valor preestablecido y desaloja a la atmósfera el exceso de
presión que provoca la onda de sobrepresión.
Cavitación
En la técnica son innumerables los problemas hidrodinámicos relacionados con la
cavitación. Este fenómeno se produce siempre que la presión en algún punto, de
la zona de corriente de un líquido, desciende por debajo de cierto valor mínimo
admisible.
Por lo tanto, cuando la presión de succión en la entrada de la bomba es
demasiado baja se forman burbujas en el fluido, como si hirviera, originando en el
interior del líquido “cavidades” de aire, de ahí el nombre de cavitación. En la
siguiente figura se esquematiza el concepto de la cavitación.
Fig. 19 Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al
estado líquido de manera súbita, ‘aplastándose’ bruscamente las burbujas) produciendo una estela
de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.
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Fig. 20 Ejemplos de impulsores dañados debido a la cavitación.
Sumergencia
Es la altura (S) de líquido, necesaria sobre la sección de entrada (válvula de pie,
pichancha, tubo de succión, etc.), para evitar la formación de remolinos (vórtices)
que pueden afectar al buen funcionamiento de la bomba.
La formación de estos remolinos se deben principalmente a la depresión causada
por:
- La succión de la bomba.
- Mala disposición de la misma en la cámara de aspiración.
- Una irregular distribución del flujo.
Como valor indicativo de la sumergencia mínima necesaria, podemos adoptar la
que obtendremos por aplicación de la ecuación:
Donde:
v = Velocidad del líquido en m/s.
S = Sumergencia en, m.
g = Aceleración gravedad = 9.81 m/s2.
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Fig. 21 Sumergencia
Observaciones por falta de sumergencia:
- Fluctuaciones de caudal, sin merma apreciable en la altura.
- Ruidos y vibraciones, con requerimientos variables de potencia
(variación amperímetro).
- Formación de remolinos visibles en la superficie o sumergidos.
Algunas soluciones para reducir la sumergencia son:
- Aumento de la sección de entrada (mayor diámetro de la tubería de
aspiración)
- Colocación de tabiques flotantes o sumergidos que eliminen las
turbulencias.
Maderas flotantes, alrededor de la tubería de aspiración, así como pelotas de
plástico, y todo aquello que sea capaz de impedir la formación de vórtices o
remolinos en la superficie.
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2.10 Potencia
En un sistema de bombeo en donde se involucran bomba y motor, el trabajo
desarrollado, para mover un líquido, depende del peso bombeado por unidad de
tiempo contra la carga total.
Potencia hidráulica (Ph)
Se conoce de igual forma como potencia de líquido o potencia útil y se define
como el trabajo cedido del líquido por la bomba.
Potencia al freno (Pa)
Se conoce también como potencia de accionamiento, absorbida, de entrada o en
el eje, es la potencia requerida en la flecha de la bomba.
Potencia eléctrica (Pe)
Es la potencia suministrada en la flecha de la bomba mediante el acoplamiento del
par y un motor trifásico de características conocidas.
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2.11 Descripción de un equipo de bombeo
Un sistema de bombeo es un conjunto de máquinas que nos sirven para
transformar un líquido de un punto a otro. Lo constituyen todas las unidades de
bombeo (bomba, motor, tuberías de succión y de descarga) instaladas para
proporcionar el gasto requerido así como los accesorios de control y protección.
Colador o pichancha
El objetivo de este elemento en la bomba es evitar la entrada de solidos al interior
de la misma (piedras, lodos, etc.). Existen dos tipo de coladores: cónico y de
canasta.
Los coladores cónicos se utilizan en norias o pozos profundos en donde no hay
limitación de espacio prácticamente por cuanto a profundidad se requiere. El
colador de tipo canasta no es aplicable en equipos destinados a pozo profundo,
porque el diámetro del mismo excede el diámetro de cuerpo de tazones y causaría
muchos problemas.
Tazón
Cada tazón incluye la cámara de bombeo, que aloja al impulsor, a la flecha del
impulsor y el buje opresor que mantiene al impulsor en posición con respecto al
tazón y anillo del desgaste que va dentro del tazón. Internamente el tazón lleva
venas de guía o pasajes directrices para conducir el flujo de descarga del primer
paso al siguiente, o sea, entregarlo al cono de descarga.
Cuerpo de tazones
El cuerpo de tazones es el elemento por medio del cual se añade energía al fluido
en forma de presión, y así se le conoce al conjunto formado por las siguientes
partes principales:
a) Cono de succión
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b) Tazones
c) Cono de descarga
y así también
d) Bujes
e) Bujes opresores de los impulsores
f) Anillos de desgaste
g) Chumacera de último paso superior o cople.
Columna
Es el elemento que sirve para llevar el fluido desde la salida del mismo en el cono
de descarga hasta el cabezal de descarga. Su longitud es variable, dependiendo
de los niveles estáticos y dinámicos en el pozo.
Flecha de línea
Se denomina así a la flecha que transmite la energía mecánica proveniente de la
flecha superior a la flecha de los impulsores, normalmente está hecha de acero al
carbón.
Cabezal de descarga
Este elemento de la bomba, construido de hierro fundido tiene tres finalidades:
1. Soportar a la bomba, es decir, columna, tazones, coladores, etc.
2. Sirve de base a la maquina motriz o al dispositivo de conversión de
movimiento motriz.
3. Dar salida al fluido una vez que este ya haya circulado por los demás
elementos.
Se muestra una bomba sumergible en la figura 22.
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Fig. 22 Bomba sumergible marca Grundfos.
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2.12 Bomba vertical tipo turbina, bomba de pozo profundo y bomba
sumergible
Bomba vertical tipo turbina
Este tipo de Bombas tiene un tipo de diseño específico de una bomba centrífuga
que opera con el eje de rotación vertical y parcialmente sumergida en el fluido que
maneja. Su mayor aplicación es la extracción de agua de pozos profundos, para
irrigación agrícola, abastecimiento municipal y abastecimiento industrial.
Bomba de pozo profundo
Las bombas para pozo profundo se clasifican de acuerdo a la potencia nominal
expresada en kilowatts (kW) del motor eléctrico al cual deben acoplarse.
Bomba sumergible
Las bombas sumergibles, se agrupan de acuerdo a la capacidad expresada en l/s
(litros por segundo), trabajan acopladas directamente a un motor eléctrico
sumergible; dichos motores se agrupan de acuerdo a la potencia nominal, la cual
se expresa en kilowatts (kW).
Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la
carcasa. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo
de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues
no depende de la presión de aire externa para hacer ascender el líquido.
Un sistema de sellos mecánicos se utiliza para prevenir que el líquido que se
bombea entre en el motor causando un cortocircuito. La bomba se puede conectar
con un tubo, manguera flexible o colocar abajo de los carriles o de los alambres de
guía de modo que la bomba siente en "un acoplador del pie de los platos", de tal
forma conectándola con la tubería de salida o descarga.
Además, las bombas sumergibles cuentan con las siguientes características:
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Su diseño compacto y ligero con un cable resistente y con freno permite
ofrecer una bomba muy resistente y con freno permite ofrecer una bomba
muy resistente fácil de transportar e instalar.
La protección térmica integrada evita cualquier daño en el motor gracias al
bloqueo del rodete impulsor, reduciendo las reparaciones.
Las juntas mecánicas dobles de carburo de silicio funcionan en una cavidad
aislada llena de aceite, lo que permite lubricar las juntas, refrigerar y ofrecer
una protección general del motor.
2.13 Propuesta técnica
Día con día el fenómeno del desabasto del agua y sequía, así como la falta de
lluvia en temporadas en el mundo es cada vez más aterrador que no imaginamos
hasta donde podría llegar con el poco abasto de agua y el crecimiento desmedido
de la población.
Los sistemas hidráulicos nos ayudan a sufragar la necesidad de las poblaciones
urbanas: servicios básicos, sanitarios, alimentos, etc., pero muchas veces la
cantidad y calidad no son las adecuadas. Es por eso que el hombre, es el
encargado de proyectar sistemas que ayuden al desarrollo de las regiones y esto
es, con servicios como luz eléctrica, agua potable, alcantarillado, servicios de
transporte, etc. Como el agua potable será nuestro eje rector, nos enfocaremos en
esta área específica.
En la periferia de zona urbana de Minatitlán, se hallan colonias que pertenecen a
Cosoleacaque, Veracruz, municipio que, junto con Coatzacoalcos, Hidalgotitlán y
el Uxpanapa, han crecido debido al auge industrial y petrolero.
Bien, mencionábamos que Cosoleacaque es un municipio en continuo
crecimiento, ya que mucha gente, desde siempre, ha estado migrando del campo
a la ciudad debido a la necesidad de mejores condiciones de vida. Es por ello que
cada vez han llegado más personas a ocupar terrenos pertenecientes a Minatitlán
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y eh ahí la expansión de este municipio, ya que se ha convertido en la zona
conurbada del lugar. Debido a este aumento poblacional, la necesidad de los
servicios crece y es necesario proveer de agua potable a estos habitantes.
Como ya se dijo, la ciudad de Minatitlán, Ver., le suministra agua a una parte de la
población que pertenece al municipio de Cosoleacaque, Ver, que está conurbada
con la misma. Por lo que al referirnos en este proyecto a la población de
Minatitlán, nos referimos a la Ciudad de Minatitlán con la zona conurbada de
Cosoleacaque, Ver.
La finalidad de este trabajo es coadyuvar en el desarrollo de la región istmo, y
encontrar una solución al problema de la falta de agua que sufre cada año.
La necesidad original para la elaboración de este proyecto es la de encontrar las
vías necesarias para evitar el desabasto del vital líquido por medio de un estudio
técnico justificado para la perforación y habilitación de pozos profundos.
La historia nos dice que desde que se abrió paso el vaso regulador, ‘Yuribia’, ha
habido problemas con los pobladores, tanto sociales como políticos. Desde su
inauguración, los habitantes de Tatahuicapan de Juárez se han quejado de la falta
de atención por parte de los gobiernos estatales y federales, que van desde el
mejoramiento y/o pavimentación de los caminos, como seguridad en su
comunidad hasta la infraestructura hidráulica del mismo lugar, ya que como
mencionan ellos, se llevan el agua de sus tierras y la infraestructura hidráulica en
el lugar es una burla, ya que ni con alcantarillado cuentan. Aunado a este hecho,
recientemente ha habido protestas por parte del gremio magisterial y ha
desencadenado el cierre de las compuertas de dicha presa y de igual forma dejan
en desabasto a la población que depende de ella. Algunas veces, dentro de sus
protestas, han llegado a cometer actos vandálicos, rompiendo tubería de
conducción de agua y deja en desabasto a la población. Otro factor grave que se
junta es la temporada de estiaje, que es la temporada en que hace más calor y
hay ausencia de lluvias y escurrimientos que alimentan a los ríos Tezizapan y
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Ocotal y por estas cuestiones es necesario recurrir a otras fuentes de abasto de
agua.
Es de conocimiento general que nuestro planeta está compuesto en un 75% de
agua y el otro porcentaje corresponde a agua dulce para la población y que,
además, se encuentra lejos de la población, en los polos.
Por esa razón este trabajo solo es una guía, una propuesta para demostrar la
viabilidad en el desarrollo de exploración, perforación y habilitación de pozos
profundos de agua. Los antecedentes dan cuenta de ello, ya que la zona donde
está localizado el municipio de Minatitlán, es rica tanto en flora en fauna y en
escurrimientos subterráneos.
Se han buscado trabajos y/o estudios parecidos en los archivos de la Comisión de
Agua Municipal y no se ha encontrado algún otro parecido al que a continuación
se desarrolla y es por eso que surge la necesidad de hacer este estudio sencillo,
completo y ordenado para reforzar el área técnica de acción de dicho organismo.
La propuesta que se quiere aplicar es la de sectorizar la ciudad de Minatitlán, que
es dividir las colonias en zonas o en sectores específicos y que uno o varios pozos
abastezcan dicha parte de la ciudad; de esta forma, el agua llega constante las 24
horas y asegura que, aunque la temporada de estiaje sea muy fuerte, las colonias
cuenten con el servicio ininterrumpido de agua. La zona urbana cuenta con 64
colonias donde están repartidas 180,371 habitantes.
Las obras de conducción forman parte de un sistema de agua potable que de
acuerdo a su diseño tienen un impacto económico en la operación del mismo.
El Plan Nacional de Desarrollo 2013 – 2018, dentro del Programa Nacional Hídrico
2014 – 2018 del Gobierno de la República, para la Comisión Nacional del Agua
(CONAGUA) en sus estrategias se mencionan varios objetivos para mejorar la
infraestructura hidráulica, así como asegurar el abasto de ésta:
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Objetivo 3. Fortalecer el abastecimiento de agua y el acceso a los servicios
de agua potable, alcantarillado y saneamiento.
Estrategia 3.1 Incrementar la cobertura de los servicios de agua potable y
alcantarillado
Incrementar las coberturas de agua potable y alcantarillado en zonas
urbanas y rurales privilegiando a la población vulnerable.
Fomentar que la definición de tarifas de agua potable, alcantarillado y
saneamiento, siga criterios técnicos, financieros y sociales.
Crear infraestructura para aprovechamiento de nuevas fuentes de
abastecimiento.
Estrategia 3.2 Mejorar las eficiencias de los servicios de agua en los municipios
Mejorar la eficiencia física en el suministro de agua en las poblaciones.
Estrategia 3.4 Promover la construcción de proyectos que contribuyan a mitigar la
pobreza, incluyendo la Cruzada Nacional Contra el Hambre
Implementar proyectos productivos con tecnologías de riego apropiadas en
comunidades con rezago, para mejorar ingresos, proveer empleo y producir
alimentos.
Difundir tecnología apropiada de suministro de agua, incluyendo: captación
de lluvia y niebla, cisternas, dispositivos de bombeo, filtración y
desinfección.
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Objetivo 5. Asegurar el agua para el riego agrícola, energía, industria,
turismo y otras actividades económicas y financieras de manera sustentable.
Estrategia 5.1 Mejorar la productividad del agua en la agricultura
Intensificar la tecnificación del riego en los distritos y unidades de riego.
Tecnificar el riego por gravedad en los distritos y unidades de riego.
Redimensionar los distritos de riego de acuerdo con la oferta real del agua.
Estrategia 5.2 Utilizar sustentablemente el agua para impulsar el desarrollo en
zonas con disponibilidad
Ampliar la infraestructura para aprovechar aguas superficiales y
subterráneas en áreas con potencial para actividades con alta productividad
del agua.
Impulsar el desarrollo del potencial hidroeléctrico en zonas con
disponibilidad.
Propuesta de Conducción
Tipo de Entrega
Las conducciones deben de entregar el agua a un tanque de regularización, como
se indica en la figura 23, y así facilitar el procedimiento de diseño hidráulico de los
sistemas de agua potable, tener un mejor control de la operación de los mismos, y
asegurar un funcionamiento adecuado del equipo de bombeo.
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Fig. 23 Línea de conducción con entrega de agua a un tanque de regulación.
En las zonas rurales se puede aceptar conducciones con entregas de agua a la
red de distribución, únicamente cuando se logre un ahorro considerable en la
distancia de conducción y un aumento en las presiones de la red de distribución.
Esto se consigue cuando un tanque de regulación se conecta a la red de
distribución en un punto opuesto a la conexión de conducción, como se indica en
la figura 24.
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Fig. 24 Línea de conducción con entrega de agua a la red de distribución.
Conducción por Bombeo
La conducción por bombeo es necesaria cuando se requiere adicionar energía
para obtener la carga dinámica asociada con el gasto de diseño. Este tipo de
conducción se usa generalmente cuando la elevación del agua en la fuente de
abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de
entrega. El equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el
transporte del agua.
Cuando las condiciones del terreno o la disposición de la fuente de dotación no
permitan que una línea trabaje a gravedad, su diseño será entonces por bombeo,
de las cuales se tienen dos variables, las cuales son:
a) La utilización de bombas, más el almacenamiento de cierta cantidad de
agua a un tanque de regulación (almacenamiento en algunos casos).
Cuando se emplea este método el exceso de agua es almacenado en un
tanque elevado durante periodos de poco consumo; mientras que por otro
lado, en periodos de mucho consumo, el agua almacenada se utiliza para
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aumentar la capacidad de entrega, que junto con la de la bomba, es mayor.
Este sistema permite tener un rendimiento uniforme de las bombas que
extraen y conducen el agua al tanque, lo que le permite que sea más
económico, evitando esforzar a las bombas en periodos de gran consumo
(hora pico). Generalmente esta regulación se hace por periodos de 24
horas.
Por otro lado, como el agua almacenada al interior del tanque es un agua
de reserva, ésta puede ser utilizada en casos de emergencia, no solo como
para generar mayor caudal del requerido normalmente, sino también
cuando se presente algún incendio, averías en alguna bomba o demandas
extraordinarias de la población, generando una muy buena seguridad de
operación.
b) Una segunda opción es el simple uso de bombas sin almacenamiento, lo
que genera que las bombas introduzcan el agua directamente a la red de
distribución, no teniendo otra salida más que la del agua que se consuma
por el usuario. Este es uno de los sistemas menos deseables, puesto que
cualquier avería en la fuente de energía o en alguna bomba ocasionaría la
interrupción completa del suministro de agua; además, al interior de las
tuberías se tendrán presiones muy variadas a lo largo del día, puesto que
cuando el agua no sea requerida las bombas estarán ejerciendo una cierta
al interior de la tubería de la red, pudiendo llegar a generar fugas o ruptura
de ésta y, por el contrario, cuando se tenga la mayor demanda por el
usuario, se generaría una disminución de presión al interior de la red lo que
propiciaría un menor caudal de entrega al usuario.
Conducción por Gravedad
Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua de la
fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente
en el punto de entrega en el agua, el transporte del fluido se logra por la diferencia
de energías disponibles.
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Conducción por Bombeo – Gravedad
Si la topografía del terreno obliga al trazo de la conducción a cruzar por partes
más altas que la elevación de la superficie del agua en el tanque de
regularización, conviene analizar la colocación de un tanque intermedio en ese
lugar. La instalación de este tanque ocasiona que se forme una conducción por
bombeo – gravedad (o mixta), donde la primera parte es por bombeo y la segunda
por gravedad.
Componentes de una Línea de Conducción
Para las líneas de conducción son necesarios una serie de accesorios y
componentes mecánicos para su correcto funcionamiento. Se mencionarán
algunos:
a. Tuberías: Acero, fibrocemento, concreto presforzado, Policloruro de Vinilo
(PVC), hierro dúctil y polietileno de alta densidad.
b. Piezas especiales: juntas, carretes, extremidades, tes, cruces, codos,
reducciones, coples, tapones y tapas.
c. Válvulas: válvula eliminadora de aire, válvula de admisión y expulsión de
aire, válvula de no retorno, válvula de seccionamiento.
d. Dispositivos para el control de transitorios: válvula aliviadora de presión,
válvula anticipadora del golpe de ariete, torre de oscilación, tanque
unidireccional, cámara de aire, bypass en la válvula de no retorno.
Caudal de Diseño
El caudal con el que se diseñan los tubos de una conducción, se obtiene en
función de los gastos de que deben entregar a los tanques y de los gastos que
puedan proporcionar las fuentes de abastecimiento.
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Diseño Hidráulico
Las conducciones por bombeo pueden ser líneas o redes de conducción por
bombeo como se muestran en las figuras 25 y 26. De la misma forma, las
conducciones por gravedad pueden ser líneas o redes de conducción por
gravedad, como se muestran en las figuras 27 y 28. Si se combinan los aspectos
de bombeo y gravedad se forman las redes de conducción mixtas.
Fig. 25 Esquema de una línea de conducción por bombeo
Fig. 26 Esquema de dos redes de conducción por bombeo
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Fig. 27 Esquema de una línea de conducción por gravedad.
Fig. 28 Esquema de una red de conducción por gravedad.
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Línea de conducción por bombeo
En el caso de las líneas de conducción por bombeo (fig. 25) se plantean
ecuaciones para obtener el diámetro económico. No obstante, el diámetro que se
calcula en algunas ocasiones no es comercial, por lo tanto se aconseja utilizarlo
como un dato aproximado donde la solución final debe obtenerse con un
procedimiento directo, proponiendo repetidas veces el diámetro del tubo y
calculando enseguida la carga hA requerida de la bomba.
Análisis económico del diámetro
Aquí se plantea un procedimiento analítico para el cálculo del diámetro óptimo de
una conducción por bombeo, arriba descrito.
Una vez que se obtiene el trazo y el caudal de diseño, un aspecto importante para
los proyectos de conducción a presión, es la determinación de un diámetro
tentativo, cuya selección se decide por condiciones económicas a partir de hacer
mínimos los costos de la tubería y su colocación, así como, el costo
correspondiente a la energía para el bombeo; los demás costos de la conducción
no intervienen en el análisis por no ser función del diámetro.
Conforme el diámetro tentativo seleccionado sea menor, disminuye el costo de la
tubería y su colocación, pero se incrementan las pérdidas de carga y con ello el
costo de bombeo en sí, al requerir bombas de carga elevada con mayores
consumos de energía. Ocurriría lo contrario si se incrementa el diámetro. Por lo
anterior, se requiere determinar el diámetro ∅tent que haga mínima la suma de los
costos de inversión inicial y de operación antes mencionados.
Resumiendo, cuando el diámetro (∅tent) se calcula en metros, el factor de cálculo
es 1.2 y cuando el ∅tent pulgadas y el caudal se da en (l/s) el factor resulta de 1.5
De esta forma, las ecuaciones quedan de la siguiente manera:
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∅ √
⁄
∅ √ ⁄
Regulación
Es indispensable establecer con claridad la diferencia entre los términos
“almacenamiento” y “regulación”. La función principal del almacenamiento, es
contar con un volumen de agua de reserva para casos de contingencia que tengan
como resultado la falta de agua en la localidad y la regulación sirve para cambiar
un régimen de abastecimiento constante a un régimen de consumo variable.
El tanque de regularización, es la estructura del sistema de abastecimiento de
agua en la que se realiza un cambio de régimen, pasando de uno constante en la
aportación a uno variable en el consumo. Esta función se realiza de la siguiente
manera, el suministro de agua es continuo durante las 24 horas del día, en tanto
que el consumo en la población es variable, por lo tanto en esta estructura se
almacena agua en las horas de bajo consumo, misma que se utiliza en las horas
de alto consumo.
Fig. 29 Cambio de régimen: variable a constante y viceversa
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Los tanques se dividen en enterrados, semienterrados, superficiales y elevados y
también tienen la funcione de proporcionar presión a la red de distribución, por lo
que su localización debe ser generalmente en una parte alta con lo que se
garantiza una buena carga hidráulica, a su vez como una función adicional, en él
se le inyecta gas cloro o se le adicionan al agua pastillas de hipoclorito para
desinfectarla.
La capacidad del tanque de regularización, se obtiene por medio del gasto máximo
diario multiplicándolo por el coeficiente de regularización, por lo que en las
grandes localidades es a veces necesario construir varios tanques con la finalidad
de tener el volumen requerido, y a su vez, en sitios de topografía accidentada
disminuir presiones en la red.
Para localidades pequeñas el volumen del tanque se calculará para el consumo de
la población únicamente, en localidades mayores y turísticas se deberá considerar
un volumen adicional para proporcionar el servicio a la población flotante, agua
para combatir incendios, etc.
Por lo que respecta a la fontanería, los tanques deben tener: un tubo de
alimentación cuyo diámetro generalmente es el de la línea de conducción, un tubo
de desagüe o limpieza, un tubo de demasías y un tubo de salida que llevará el
agua hacia la red, adicionalmente contarán con válvulas de flotador, retención,
seccionamiento, etc. también contarán con tubos de ventilación para evitar la
proliferación de bacterias, entradas en la losa-tapa, para poder vigilar y darle
mantenimiento de limpieza. Para efectuar esto último se deberá contar con un “by-
pass” que permita el paso del agua a la red sin la interrupción del servicio por las
labores de limpieza en el tanque.
Una de las funciones primordiales de los tanques, es la de cambiar el régimen de
aportación constante (captación, conducción) por un régimen de consumo
variable. La capacidad de un tanque, se determina utilizando la ley de demandas y
el gasto máximo diario.
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El coeficiente de regularización, está dado en función del tiempo de aportación,
requiriéndose almacenar agua en horas de bajo consumo para utilizarla en horas
de mayor demanda.
Para calcular el coeficiente de regulación, es importante conocer el número de
horas de aportación o bombeo así como su horario.
Coeficiente de Regulación
La capacidad del tanque está en función del gasto máximo diario y la ley de
demandas de la localidad, calculándose ya sea por métodos analíticos o gráficos.
El coeficiente de regulación está en función del tiempo (número de horas por día)
de alimentación de las fuentes de abastecimiento al tanque, requiriéndose
almacenar el agua en las horas de baja demanda, para distribuirla en las de alta
demanda.
Tomando en cuenta la variación horaria de la demanda, resulta que los más
convenientes para estos casos de bombeo son:
Para 20 horas de bombeo: de las 4 a las 24 horas.
Para 16 horas de bombeo: de las 5 a las 21 horas.
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Tabla 6 Coeficiente de regulación para suministro de 18 horas (de las 6 a las 24 horas). Fuente:
CNA
Tabla 7 Coeficiente de regulación para suministro de 24 horas /día Fuente: CNA
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Alternativas de dimensionamiento
Cuando no se conozca la ley de demandas de una localidad en particular, se
recomienda aplicar los siguientes valores (Tabla 8).
Tabla 8 Coeficientes de regulación Fuente: CNA
Es importante tomar en consideración para el cálculo de la capacidad de los
tanques, el número de horas de alimentación o bombeo, así como su horario, el
cual estará en función de las políticas de operación y los costos de energía
eléctrica, los cuales son mayores en las horas de máxima demanda.
En el siguiente capítulo se explicará la forma de calcular la población a la cual esta
aplicará este proyecto, así como la memoria de cálculo y selección de los equipos
electromecánicos para los sistemas de bombeo; también la parte económica que
hará que los proyectos futuros puedan cumplir con los requerimientos de la
población.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 84
Capítulo III
Cálculo, Desarrollo y Selección de Equipos Hidráulicos
En los proyectos de ingeniería son imprescindibles los cálculos del sistema, ya
que con ellos, se da una idea tangible de la magnitud de los mismos. Aquí es
donde entra la Ingeniería de Detalle, que es la fase en la que quedan definidos
todos y cada uno de los subsistemas, componentes o partes de que integran el
proyecto. En forma particular, para este proyecto, se hace una análisis de
población, que será la base para el cálculo y selección de la bomba, motor
eléctrico, accesorios, etc., bajo los lineamientos normativos en operación.
3.1 Determinación de la población del proyecto
El cálculo es tomando en cuenta las características de la bomba, el motor y los
accesorios del sistema, el cual se selecciona para el abastecimiento de agua
potable a la ciudad y la zona conurbada.
Es necesario mencionar que el arreglo del sistema se realice cumpliendo con los
fines que deben de tener en cuenta como: economía, funcionalidad,
mantenimiento, operación, sustentabilidad, etc., por lo que se tendrán en
consideración los siguientes aspectos:
a) Vida útil del equipo
b) Tasa de crecimiento de la población
c) Tasa de interés vigente.
Para determinar el periodo económico del proyecto, se consideran los aspectos
anotados anteriormente, considerando un periodo de 20 años promedio para que
sea rentable y eficaz.
Para determinar la población del proyecto de la localidad, se recurrió a los censos
y conteos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) para conocer la
tendencia de crecimiento poblacional de este siglo y del siglo pasado. Los censos
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y conteos históricos con los que cuenta la ciudad son a partir de 1900 hasta el
2010, y con un conteo estimado de crecimiento de los últimos 4 años, del 2010 al
2014, siendo los datos obtenidos lo siguientes:
Municipio: Minatitlán, Veracruz
Localidad: Minatitlán, Veracruz
Estado: Veracruz
Año de
Censo
No. de
Habitantes
Tipo de
Registro
1900 1,216 CENSO
1910 1,765 CENSO
1921 6,204 CENSO
1930 11,766 CENSO
1950 22,455 CENSO
1960 35,350 CENSO
1970 68,397 CENSO
1980 106,765 CENSO
1990 145, 264 CENSO
1995 153,542 CONTEO
2000 148,896 CENSO
2005 152,911 CONTEO
2010 157,840 CENSO
2014 -------- CÁLCULO
ESTIMANDO
Tabla 9 Conteo de habitantes del municipio de Minatitlán, Ver 1900 - 2010
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Para el cálculo de nuestra población de proyecto, se tomarán en consideración
cuatro modelos matemáticos, como son: Aritmético, Geométrico, Malthus y
Geométrico por Porcentaje. Al final, para conseguir una población de proyecto
total, se obtiene un promedio con los cuatro resultados de los métodos.
Para determinar nuestra población actual aplicamos la fórmula de interés
compuesto, una vez determinado la tasa de crecimiento de esta localidad con los
datos ya establecidos.
[(
)
]
donde:
TC = Tasa de crecimiento
Pa = Población actual: 157,840 hab. (2010)
Pi = Población inicial: 1,216 hab. (1900)
n = 110 años
Sustituyendo valores y de la ecuación 22 tenemos que:
[(
)
]
De la siguiente ecuación obtenemos la población en el año 2013:
[
]
donde:
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Pf = Población futura
Pa = Población actual = 157,840 hab (2010)
T.C. = Tasa de crecimiento en la población = 4.52
n = 4 años
Sustituyendo valores, aplicando la ecuación 23:
[
]
Por lo tanto, la población del 2014 se perfila:
∴ P2014 = 188,371 hab
Año de
Censo
No. de
Habitantes
Tipo de
Registro
1900 1,216 CENSO
1910 1,765 CENSO
1921 6,204 CENSO
1930 11,766 CENSO
1950 22,455 CENSO
1960 35,350 CENSO
1970 68,397 CENSO
1980 106,765 CENSO
1990 145, 264 CENSO
1995 153,542 CONTEO
2000 148,896 CENSO
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2005 152,911 CONTEO
2010 157,840 CENSO
2014 188,371 CÁLCULADO
Tabla 10 Habitantes de Minatitlán, Ver al 2014
Método Aritmético
donde:
Pf = Población futura de proyecto
Pa = Población actual: 188 371 hab (2014)
k = Crecimiento promedio anual:
n = Años de proyección
cn = Periodo de años a la fecha
Pi = Población inicial: 1,216 hab (1900)
Primero obtenemos el valor del crecimiento promedio anual (k) con la ecuación 25:
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Sustituyendo valores para obtener la población actual (2024), ec. 25 en ec. 24,
(
)
Método Geométrico
Tabla 11 Datos Método Geométrico
Obteniendo el promedio:
y
(
)
AÑO POB Log de la Pob Log Pf -Log Pa Log (1+r) = (log Pf - logPa)/n
1900 1216 3,085
1910 1765 3,247 0,162 0,016
1921 6204 3,793 0,546 0,050
1930 11766 4,071 0,278 0,031
1940 18539 4,268 0,197 0,020
1950 22455 4,351 0,083 0,008
1960 35350 4,548 0,197 0,020
1970 68397 4,835 0,287 0,029
1980 106765 5,028 0,193 0,019
1990 145264 5,162 0,134 0,013
1995 153542 5,186 0,024 0,005
2000 148896 5,173 -0,013 -0,003
2005 152911 5,184 0,012 0,002
2010 157840 5,198 0,014 0,003
2014 188371 5,275 0,077 0,019
suma 0,232
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donde
rg = Constante de crecimiento de población geométrica
Pf = Población futura
Pa = Población actual
n = Años de proyección
Entonces primero calculamos la constante de crecimiento
(
)
Se recomienda usar las siguientes tasas de crecimiento basándose en el
crecimiento histórico
- Ninguna de las localidades tendrá una tasa de crecimiento urbano
mayor de 4%.
- Ninguna de las localidades tendrá una tasa de crecimiento urbano
menor de 2.5%.
- Si el promedio de la proyección de la población presenta una tasa de
crecimiento:
o Mayor del 4%, la población se proyectará en base al 4%, de
crecimiento anual.
o Menor del 2.5% la proyección final se hará basada en una tasa de
crecimiento del 2.5%.
o No menor del 2.5%, ni mayor del 4%, la proyección final se hará
basada en el promedio obtenido.
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Por lo tanto se usará una taza de crecimiento del 4% = 0.004.
Sustituyendo valores en la Ec. 26:
∴
Método Malthus
Para efectuar la elaboración de un proyecto de abastecimiento de agua potable
es necesario determinar la población futura de la localidad, así como de la
clasificación del nivel socioeconómico dividido en tres tipos: Popular, Media y
Residencial. Igualmente se debe distinguir si son zonas comerciales o
industriales, sobre todo, al final del periodo económico de la obra.
La población actual se determina en base a los datos proporcionados por el
Instituto Nacional de Estadísticas y Geografía (INEGI), tomando en cuenta los
últimos tres censos disponibles para el proyecto hasta el año de realización de los
estudios y proyectos.
En el cálculo de la población de proyecto o futura intervienen diversos factores
como son:
Crecimiento histórico.
Variación de las tasas de crecimiento.
Características migratorias.
Perspectivas de desarrollo económico.
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A continuación se determinará una cifra constante para el periodo fijo y aplicarla
en años futuros por el Método de Malthus.
donde
Pf = Población futura
Pa = Población actual
Pp = Población pasada
I = Incremento media anual
N = Diferencia de tiempo en años entre Pf y Pp
n = Diferencia de tiempo en años entre Pa y Pp
Pd = Diferencia de población entre Pf y Pp
De los siguientes datos:
Año Población
2014 188 371
2010 157 840
n = 4 Pd = 30 531
Tabla 12 Datos de estudio para el método Malthus
Establecemos de igual forma la siguiente ecuación:
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Aplicando la ecuación 29 en la ecuación 28:
Por tanto:
∴
∴
Método Geométrico por Porcentaje
Este procedimiento consiste en determinar el porcentaje anual de aumento por
medio de los porcentajes de aumento en los años anteriores y aplicarlos en el
futuro. Por lo cual, se calculan los porcientos decenales de incremento y se
determina el por ciento anual promedio.
De esta manera, el cálculo del por ciento anual promedio queda estipulado de la
siguiente forma:
donde:
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Σ% = Suma de por cientos decenales
n = No. de años entre el primer censo y el último
De igual forma tenemos que:
donde
Pf = Población futura
Pu = Población del último censo.
N = No. de años para los que se va a calcular la población, contados
a partir del último censo.
Tabla 13 Datos estadísticos para el método Geométrico por Porcentaje
Aplicando las ecuaciones:
AÑO POB Incremento % de incremento
1900 1216
1910 1765 549 45,148
1921 6204 4439 251,501
1930 11766 5562 89,652
1940 18539 6773 57,564
1950 22455 3916 21,123
1960 35350 12895 57,426
1970 68397 33047 93,485
1980 106765 38368 56,096
1990 145264 38499 36,060
1995 153542 8278 5,699
2000 148896 -4646 -3,026
2005 152911 4015 2,697
2010 157840 4929 3,223
2014 188371 30531 19,343
suma Σ 735,991
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De la ec. de Población futura (Ec. 31):
∴
En resumen tenemos que:
Tabla 14 Tabla resultados
Método de Cálculo Resultado
Aritmético hab
Geométrico hab
Malthus hab
Geométrico por % hab
Σ Total = 1, 341, 820 hab
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Obteniendo el promedio de la población:
∴
Actualmente en la ciudad de Minatitlán, Ver., están en construcción nuevas
zonas habitacionales, a las que se les va a tener que brindar el servicio de toma
domiciliaria. Por lo anterior se propone una población para el 2035,
.
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3.2 Demanda Actual
La demanda actual de agua potable en la Ciudad de Minatitlán, se estima con
base a la población actual, el tipo de clima en la ciudad, el número de usuarios
registrados en el Padrón de Usuarios de la Comisión de acuerdo a su tipo, la
dotación de agua potable, los volúmenes de agua suministrado por las fuentes de
abastecimiento y las perdidas físicas estimadas.
La población actual de la ciudad de Minatitlán se estima del orden de las 188 371
habitantes, el clima es cálido húmedo con abundantes lluvias en verano. En el año
2012 hasta el mes de Diciembre se tienen registrados 31,462 tomas. En la
siguiente tabla se representa un desglose por tipo de usuario:
Tabla 15 Tipo de tomas registradas en la CMAS de Minatitlán al 2012
Con relación a la dotación, se toma como base la información del área comercial
de la Comisión, el cual consiste en el resumen obtenido de los volúmenes de agua
de la facturación del año 2012 hasta el mes de Diciembre. A continuación se
presenta en la tabla 16:
Tabla 16 Gasto de Agua facturado hasta Diciembre de 2012
Doméstico 29.678
Comercial 1.624
Industrial 43
Serv. Publico 117
Total 31.462
Tipo de servcio
Facturación
Domestica 9.757.076 m3/año
Comercial 713.260 m3/año
Industrial 205.749 m3/año
Serv. Publico 228.195 m3/año
Total 10.904.280 m3/año
Volumen
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De acuerdo al número de usuarios y a los volúmenes de agua calculada, se
obtiene una dotación promedio de 249.88 lts/hab/día. Para el año 2012, la
Comisión Municipal de Agua Potable y Saneamiento tiene instaladas 31,462
tomas, como se muestra a continuación,
Tabla 17 Total de tomas registradas en la ciudad de Minatitlán, Ver. en 2012
La tabla anterior nos refleja que de las 31,462 tomas que se tienen contratadas,
solo el 18.82% cuentan con el servicio medido y el 81.18 % de las tomas restantes
no tiene medidor. Se considera que la mayoría de los usuarios sin medidor y los
instalados pero sin lectura, hacen uso de volúmenes adicionales del vital líquido y
como consecuencia de esto tienen una dotación más alta, por lo anterior, la
dotación de agua potable actual promedio en la ciudad de Minatitlán se estima del
orden de 250 lts/hab/día a nivel de toma domiciliaria, sin considerar las pérdidas
físicas que se producen en la red de distribución.
3.3 Gasto Actual Suministrado
Los volúmenes y caudales de agua suministrados por las fuentes de
abastecimiento, para los meses de Enero a Diciembre del 2012, se presenta en la
siguiente tabla:
c/lectura s/lectura
5.920 1.065 24.477 31.462
18,82% 3,39% 77,80% 100,00%
Tomas con medidorsin medidor total
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Tabla 18 Gasto Enero – Diciembre proporcionados por la presa Yuribia y pozos profundos.
El gasto medio que suministro el acueducto del Yuribia fue de 137 l/s y el gasto
medio que proporcionaron los pozos profundos actuales fue de 224 l/s, siendo el
gasto medio total suministrado a la población de la ciudad de Minatitlán de 361 l/s.
Se tiene registradas 31,462 tomas en el Padrón de Usuarios de la Comisión
Municipal de Agua y Saneamiento de Minatitlán, Ver., y de acuerdo al índice de
hacinamiento del XII Censo General de Población y Vivienda 2010, de 3.8
habitantes por vivienda se tiene una población aparentemente servida de: 119,556
habitantes, esta población representa el 67% del total de la ciudad de Minatitlán.
Esta población a nivel toma domiciliaria con una dotación del 250 lts/hab/día
demanda un gasto medio diario de 484 l/s., y se estima que las pérdidas físicas
sean del orden del 25% del gasto demandado; así bajo esta hipótesis del gasto
suministrado de 361 l/s y con las pérdidas físicas de 90 l/s; tendremos que el
gasto medio diario será de 271 l/s.
YURIBIA POZOS
m3 m3
ENERO 324.912,19 303.708,00 628.620,19
FEBRERO 352.886,20 434.511,00 787.397,20
MARZO 372.879,01 578.234,00 951.113,01
ABRIL 235.814,79 659.125,00 894.939,79
MAYO 199.254,28 705.618,00 904.872,28
JUNIO 396.480,83 633.654,00 1.030.134,83
JULIO 404.651,38 615.210,00 1.019.861,38
AGOSTO 404.651,38 586.770,00 991.421,38
SEPTIEMBRE 402.131,37 615.160,00 1.017.291,37
OCTUBRE 392.551,03 643.735,00 1.036.286,03
NOVIEMBRE 420.243,39 645.242,00 1.065.485,39
DICIEMBRE 403.701,20 627.521,00 1.031.222,20
TOTAL 4.310.157,05 7.048.488,00 11.358.645,05 m3/año
137,00 224,00 361,0 lps
GASTOS DEL 2012
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Ahora bien, si partimos que la dotación que por Norma se establece que debe de
tener la población de Minatitlán actual es de 250 lts/hab/día., actualmente la
Comisión debería de suministrar un gasto de 484 lts para abastecer a la población,
y así tener una cobertura del 100%. Este gasto representa un suministro adicional
de 213 l/s, con relación al gasto medio que suministra actualmente a la población
de 361 l/s.
Como se indicó, el dato de la población se ha estimado hasta el año 2035, de 335
455 habitantes, el cual se va a utilizar para realizar los cálculos de este proyecto.
Haciendo un estudio somero del consumo de agua por persona y por día,
encontramos que entre las principales necesidades como son el aseo general y
consumo de alimentos, es aproximadamente de 250 l/día; este dato es
proporcionado por la Comisión Municipal de Agua y Saneamiento para un clima
cálido húmedo en la actualidad.
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3.4 Datos para los Cálculos y Desarrollo del Proyecto
a. Elemento en cuestión
Agua natural limpia.
b. Temperatura aproximada
T ≈ 20 – 23 ºC
c. Densidad relativa
ρr = 0.998
d. Peso específico
γ = 9.79 kN/m3
e. Presión de vapor
pvp = 2.34 kN/m2
f. Presión atmosférica a nivel del mar
patm = 760 mmHg, 101.325 kPa, 101.3 bar, 1.033 kg/cm2
g. Viscosidad cinemática @ 20 ºC
h. Viscosidad dinámica @ 20 ºC
i. Gravedad
g = 9.81 m/s2
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j. Altitud sobre nivel del mar
40 msnm
k. Tipo de captación
Manantial y pozo profundo
l. Profundidad del pozo
150 m
m. Caudal o Gasto
Q = 35 l/s
n. Diámetro del ademe
14 pulg
o. Diámetro de la conducción
8 pulg
p. Material de la tubería
Acero comercial cédula 40
Tubería de PVC Rd – 41 – 45
q. Dotación clima cálido - húmedo
250 l/hab/día
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3.5 Memoria de Cálculo
La siguiente memoria de cálculo nos ayudará a comprender, de una mejor
manera, el fenómeno físico – hidráulico que se presenta o se pude llegar a
presentar en esta propuesta técnica – económica, y ayudará a comprender al
usuario que no tenga conocimientos previos de ingeniería a desarrollar cualquier
trabajo de estudio y/o consulta, para que de esta forma, sea un apoyo en el
desarrollo de cualquier investigación similar o con el mismo fin.
Cálculo del Caudal
Caudal o gasto necesario por habitante, calculado para el año 2035.
Cálculo de las Velocidades (v1 Y v2)
Datos
Q = 35 l/s / 1000 = 0.035 m3/s
DTuberia = D2 = 6” = 0.1541 m
DAdeme = D1 = 14” = 0.3334 m
De la Ecuación de Continuidad
Para v1
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Para v2, de Ec. 33 y Ec. 34
Cálculo de la rugosidad relativa
Datos
Material: Hierro fundido nuevo
D2 = 6” = 0.1541 m = 154.1 mm
De tablas ε = 0.00025 m = 0.25 mm
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Cálculo del número de Reynolds (Re)
Datos
Viscosidad cinemática del agua @ 20 ºC =
(
)
Cálculo del coeficiente de fricción (f) con la ecuación modificada de
Colebrook – White
Mediciones recientes en redes de distribución de agua potable han mostrado que
en muchos tramos de ellas se presenta flujo laminar. Los programas
computacionales para el diseño o revisión de este tipo de sistemas utilizan la
ecuación de Colebrook-White, para el cálculo del factor "f" de pérdidas por fricción,
es decir, suponen que las redes trabajan sólo con flujo turbulento.
En la literatura se ha reportado que en las redes de distribución de agua potable,
existen tramos que funcionan en régimen laminar o crítico; los modelos
computacionales existentes utilizan para el cálculo de pérdidas por fricción la
ecuación de Colebrook-White, es decir, aceptan que el comportamiento del flujo
en todos los casos es turbulento.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 106
Para calcular las pérdidas en régimen laminar se utiliza la ecuación de Poiseuille.
Sin embargo aún es necesario desarrollar herramientas para analizar el
comportamiento del flujo en la zona crítica, 2000 ≤ Re ≤ 4000, donde Re es el
número de Reynolds. Aún más, se requiere una ecuación que pueda ser resuelta
independientemente del tipo de régimen, en otras palabras, conviene evitar los
problemas de convergencia provocados por la discontinuidad existente entre las
ecuaciones de Poiseuille y Colebrook-White.
El Dr. J. Oscar Guerrero Angulo, de la Universidad Autónoma de Sinaloa, propuso
en 1995 la ecuación modificada de Colebrook-White, para el cálculo del
coeficiente de pérdidas en flujos turbulentos.
[ (
)]
Para G = 4.555 y T = 0.8764 para 4000 ≤ Re ≤ 105
Para G = 6.732 y T = 0.9104 para 105 ≤ Re ≤ 3 x 106
Para G = 8.982 y T = 0.93 para 3 x 106 ≤ Re ≤ 108
Por lo tanto,
[ (
)]
[ ]
[ ]
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 107
Cálculo de longitudes L Y Le
Datos
Material: Acero dúctil recubierto cédula 40
En los anexos se muestra el detalle del tren de descarga y de la conducción al
tanque de regulación.
Longitud equivalente: Le = (Le/D)D D = 6” = 0.1524 m
Accesorio Le/D (m) Le (m) Piezas
Codo 90º 30 4.572 1
Te 6” 20 3.048 1
Válvula de compuerta 35 5.334 2
Medidor de flujo 80 12.192 1
Válvula check (Ret.) 76.87 11.715 1
Codo de 45º 16 2.438 2
Tabla 19 Longitud Equivalente del Sistema (tren de descarga).
Le = 308.87 m
Cálculo de pérdidas primarias y secundarias
Pérdidas primarias (de Ec. 1) tenemos:
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Pérdidas secundarias (de Ec. 2) tenemos: (
)
(
) (
)
(
)(
( )
)
(
) (
)
Cálculo de la altura geodésica
El arreglo del sistema se muestra a continuación
Fig. 30 Esquema general de la propuesta
Z1 = 0
N.D.
N.E.
58 m
15 m
3 m
18 m
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Cálculo de la carga de velocidad
Datos
(
)
( )
( )
Cálculo de la Carga Dinámica Total
Datos
p2 = p1 = patm = 0
z2 – z1 = 76 m
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Para conocer la altura que debe cumplir la bomba para este caudal, se aplica
Bernoulli entre los puntos 1 y 2:
Siendo la ecuación (41), tenemos
C.D.T. o hA
Cálculo de la Carga Neta Positiva de Succión (NPSHD)
Datos
patm = 101.325 kPa = 101.325 kN/m2
pvp = 2.34 kN/m2P
γ = 9.79 kN/m3 = 9.80 kN/m3
hs = 58 m
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Cálculo de las Potencias
Cálculo de la potencia hidráulica (Ph)
Datos
(
) ( )
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Cálculo de la potencia de accionamiento
Datos
De la Ec. 45
(
) ( )
Cálculo de la potencia eléctrica
Datos
Pa = 41.88 kW = 56.14 HP
ηm = 80 %
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CÁLCULO DE LA LINEA DE CONDUCCIÓN
Cálculo del diámetro económico
De acuerdo al aforo, en promedio, los pozos proporcionan 35 l/s. De acuerdo a la
Comisión Nacional del Agua (CNA), solo se permite extraer el 75 % del mismo, por
lo tanto:
De la Ec. 21, tenemos que:
√
√
Cálculo de la velocidad de la conducción
Datos
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De la ecuación de Continuidad
Gasto medio diario (Qmed)
El gasto medio diario es la cantidad de agua requerida, para satisfacer las
necesidades de una población en un día de consumo promedio.
La dotación es la cantidad de agua asignada a cada habitante, considerando todos
los consumos de los servicios y las pérdidas físicas que existen en cualquier
sistema de distribución, su unidad es en lt / hab. / día. Por esta razón, para la
ciudad de Minatitlán, que es una zona cálida – húmeda, la dotación que se
requiere es de 250 l / hab /día.
Datos
Población futura = Pf = 335 455 habitantes
Dotación = Dot = 250 l/ hab / día
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86 400 = segundos / día
Para convertir los l/s a m3/s dividimos entre 1000, por lo tanto,
Gasto máximo diario (Qmaxd)
Es el caudal que debe de proporcionar la fuente de abastecimiento y, se utiliza
para diseñar:
La obra de captación.
Los equipos de bombeo.
La línea de conducción antes del tanque de regularización.
El tanque de regularización y almacenamiento.
Datos
Qmed = Gasto medio diario = 971 l/s = 0.971 m3/s
Cvd = Coeficiente de variación diaria (de 1.2 a 1.5)
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Para convertir los l/s a m3/s se divide entre 1000, por lo tanto,
Gasto máximo horario (Qmaxh)
El gasto máximo horario, es el requerido para satisfacer las necesidades de la
población en el día y a la hora de máximo consumo. Se utiliza para diseñar:
La línea de alimentación a la red (después del tanque de regularización)
Las redes de distribución
Datos
Qmaxd = Gasto máximo diario = 1 165 l/s = 1.165 m3/s
Cvh = Coeficiente de variación horaria (de 1.5 a 2.0)
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Para convertir los l/s a m3/s se divide entre 1000, por lo tanto,
Gasto demandado (Qd)
Datos
Qmaxd = 1.165 m3/s
No. de horas de bombeo = 24
Gasto de entrada al tanque de regulación (Qe)
Caso I: 24 horas
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Caso II: 12 horas
Cálculo de la rugosidad relativa (conducción)
Material: PVC
D2 = 8” = 0.2017 m = 201.7 mm
De tablas de rugosidad de material ε = 0.0015 mm = 1.5 x 10-6 m
Cálculo del Número de Reynolds (Re)
Datos
(
)
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Cálculo del coeficiente de fricción para la conducción (Ec. 37)
[ (
)]
Para G = 4.555 y T = 0.8764 para 4000 ≤ Re ≤ 105
Para G = 6.732 y T = 0.91 para 105 ≤ Re ≤ 3 x 106
Para G = 8.982 y T = 0.93 para 3 x 106 ≤ Re ≤ 108
Por lo tanto,
[ (
)]
[ ]
[ ]
Cálculo de las pérdidas primarias y secundarias
(
) (
)
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Longitud equivalente
Accesorio Le/D (m) Le (m) Piezas
Codo 90º 30 4.572 2
Ensanchamiento brusco 35 7.112 1
Tabla 20 Longitud equivalente (conducción).
Le = 95 m
Para ensanchamiento brusco
La pérdida menor se calcula por medio de (ec. 2):
(
)
donde v1 es la velocidad promedio del flujo en la tubería más pequeña antes de la
expansión.
Para hacer algunas suposiciones simplificadoras sobre el carácter de la corriente
de flujo conforme se expande en la expansión súbita, es posible predecir de
manera analítica el valor de k con la siguiente ecuación:
[ (
)
]
[ (
)
]
[ (
)
]
[ (
)
]
[ ]
[ ]
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 121
(
)
((
)
( )
)
(
)
No Accesorio Valor de k
1 Pérdida a la entrada de un deposito Conexión de tubería a ras de la pared 0.50 Tubería entrante 1.00 Conexión de tubería abocinada 0.05
2 Pérdida a la salida de un depósito 1.00
3 Contracción brusca de la tubería para distintos valores de D1 / D2 D1 / D2 1.20 0.08 1.40 0.17 1.60 0.26 1.80 0.34 2.00 0.37 2.50 0.41 3.00 0.43 4.00 0.45 5.00 0.46
4 Ensanchamiento brusco (V1 - V2)2 / 2g
5 Codos de 45° 0.35 a 0.45
6 Codos de 90° 0.50 a 0.75
7 Tes 1.50 a 2.00
8 Válvulas de compuerta (abierta) 0.25
Tabla 21 Valores de k para pérdidas secundarias
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A continuación, se muestra una tabla con los valores de las perdidas secundarias
de la conducción:
No. de Accesorio
Accesorio Velocidad
(m/s) Valor de factor
k Pérdida total
hrs (m)
1 Conexión de tubería a ras
de pared 1.095 0.5 0.0891
2 Tubería entrante
1.095 1.0 0.1782
3 Conexión de
tubería abocinada
1.095 0.05 0.0008911
4 Salida de un
depósito 1.095 1.0 0.1782
Tabla 22 Accesorios, factor k y total de pérdidas secundarias en la conducción.
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VOLUMEN DEL TANQUE DE REGULACIÓN
La regulación tiene por objeto lograr la transformación de un régimen de
aportaciones (de la conducción) que normalmente es constante, en un régimen de
consumos o demandas (de la red de distribución) que siempre es variable. El
tanque de regulación debe de proporcionar un servicio eficiente bajo normas
estrictas de higiene y seguridad, procurando que su costo de inversión y
mantenimiento sea mínimo.
Cuando se modifique el horario de bombeo a un periodo menor de 24 horas / día,
se debe de cambiar el gasto de diseño de la fuente de abastecimiento y
conducción, incrementándolo proporcionalmente a la reducción del tiempo de
bombeo, según la siguiente expresión:
donde
Qe = Gasto de entrada al tanque en l/s
Qd = Gasto demandado en l/s
Qmaxd = Gasto máximo diario en l/s
tb = Tiempo de bombeo en hora/día
Para calcular el tanque de regulación, se tiene la siguiente ecuación:
donde
F = Valor obtenido de calcular (Máx. Déficit) + Máximo Superávit dividido entre 100
para convertirlo de porcentaje a unidad. Estos valores, dependiendo si se bombea
12 o 24 horas, se toman de las tablas 23 y 24.
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Obtención del valor de 'F" para un suministro de 24 horas / día
1 2 3 4 5
Horas Suministro Demandas (salidas)
(entradas) Demanda Diferencias Diferencias
Q bombeo en % Horaria en % % acumuladas %
0-1 100 60.60 39.40 39.40
1-2 100 61.60 38.40 77.80
2-3 100 63.30 36.70 114.50
3-4 100 63.70 36.30 150.80
4-5 100 65.10 34.90 185.70
5-6 100 82.80 17.20 202.90
6-7 100 93.80 6.20 209.10
7-8 100 119.90 -19.90 189.20
8-9 100 130.70 -30.70 158.50
9-10 100 137.20 -37.20 121.30
10-11 100 134.30 -34.30 87.00
11-12 100 132.90 -32.90 54.10
12-13 100 128.80 -28.80 25.30
13-14 100 126.60 -26.60 -1.30
14-15 100 121.60 -21.60 -22.90
15-16 100 120.10 -20.10 -43.00
16-17 100 119.60 -19.60 -62.60
17-18 100 115.10 -15.10 -77.70
18-19 100 112.10 -12.10 -89.80
19-20 100 105.60 -5.60 -95.40
20-21 100 90.10 9.90 -85.50
21-22 100 78.40 21.60 -63.90
22-23 100 71.00 29.00 -34.90
23-24 100 65.10 34.90 0.00
Total 2400 2400.00
El volumen útil del tanque será: [Máximo déficit] + Máximo superávit = [-95.40]+209.1 = 304.50% = 3.045 Valor de F = 3.00
Tabla 23 Valores del factor F para tanque de regulación (24 horas).
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Obtención del valor de 'F" para un suministro de 12 horas / día
1 2 3 4 5
Horas Suministro Demandas (salidas)
(entradas) Demanda Diferencias Diferencias
Q bombeo en % Horaria en % acumuladas
0-1 0 60.60 -60.60 -60.60
1-2 0 61.60 -61.60 -122.20
2-3 0 63.30 -63.30 -185.50
3-4 0 63.70 -63.70 -249.20
4-5 0 65.10 -65.10 -314.30
5-6 0 82.80 -82.80 -397.10
6-7 0 93.80 -93.80 -490.90
7-8 200 119.90 80.10 -410.80
8-9 200 130.70 69.30 -341.50
9-10 200 137.20 62.80 -278.70
10-11 200 134.30 65.70 -213.00
11-12 200 132.90 67.10 -145.90
12-13 200 128.80 71.20 -74.70
13-14 200 126.60 73.40 -1.30
14-15 200 121.60 78.40 77.10
15-16 200 120.10 79.90 157.00
16-17 200 119.60 80.40 237.40
17-18 200 115.10 84.90 322.30
18-19 200 112.10 87.90 410.20
19-20 0 105.60 -105.60 304.60
20-21 0 90.10 -90.10 214.50
21-22 0 78.40 -78.40 136.10
22-23 0 71.00 -71.00 65.10
23-24 0 65.10 -65.10 0.00
Total 2400 2400.00
El volumen útil del tanque será: [Máximo déficit] + Máximo superávit = [-490.90]+410.20 = 901.10% = 9.01 Valor de F = 9.00
Tabla 24 Valores del factor F para tanque de regulación (12 horas).
Qmaxd = Gasto máximo diario en m3/s.
Datos
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Qmaxd = 1.165 m3/s
Para un bombeo de 12 horas tenemos que F,
Para un bombeo de 12 horas (de las 6 a las 18 hrs):
Alternativas de dimensionamiento
Cuando no se conozca la ley de demandas de una localidad en particular, se
recomienda aplicar los siguientes valores (ver tabla 25).
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Tiempo de suministro al Tanque (hr) Coeficiente de regulación
24 11.0
20 (De las 4 a las 24 hrs) 9.0
16 (De las 5 a las 21 hrs) 19.0
Tabla 25 Coeficientes de regulación cuando no se conozca la ley de demandas de la ciudad.
Es importante tomar en consideración para el cálculo de la capacidad de los
tanques, el número de horas de alimentación o bombeo, así como su horario, el
cual estará en función de las políticas de operación y los costos de energía
eléctrica, los cuales son mayores en las horas de máxima demanda (horas pico).
(
)
El tanque de regulación deberá tener una capacidad de 13 m3 aproximadamente
y, para facilitar su construcción y como una alternativa, se proponen las siguientes
medidas:
2 m x 2.5 m x 3 m = 15 m3
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3.6 Selección de la Bomba
Fig. 31 Curva de la bomba seleccionada
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3.7 Datos de la Bomba Seleccionada
Marca: Grundfos
Modelo No: 4755600 – 7A
Caudal máx: 40 l/s
Velocidad nominal: 3450 - 3525 rpm
C.D:T. = hA = H = 240 m
Eficiencia: 70 %
Potencia de accionamiento (Pa) = 44.76 kW = 60 HP
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Capítulo IV
Análisis Económico del Proyecto
En todo trabajo o proyecto existe la parte económica que coadyuva en la toma de
decisiones. La aplicación de un análisis económico, en la ingeniería, sustenta a la
ingeniería básica e indica el camino a seguir para llevar a cabo una correcta
inversión.
Un buen diagnóstico estratégico sienta las bases para un plan exitoso. Existen
diferentes métodos y uno de ellos, es el análisis FODA que es una herramienta
que permite conformar un cuadro de la situación actual del objeto de estudio
permitiendo de esta manera obtener un diagnóstico preciso que permite, en
función de ello, tomar decisiones acordes con los objetivos y políticas formulados
al alcance de cualquier organización, institución e incluso, Pyme.
4.1 Análisis FODA
En términos del proceso de Marketing en particular, y de la administración de
empresas en general, la matriz FODA es el nexo que nos permite pasar del
análisis de los ambientes interno y externo de la empresa hacia la formulación y
selección de estrategias a seguir en el mercado.
El objetivo del análisis FODA consiste en obtener conclusiones sobre la forma en
que el objeto estudiado será capaz de afrontar los cambios y las turbulencias en el
contexto, (oportunidades y amenazas) a partir de sus fortalezas y debilidades
internas.
Antes de definir una estrategia de negocio siempre es útil realizar un análisis
FODA. Pero, ¿qué es esta herramienta de la administración de empresas? Se
puede expresar como un cuadro de situaciones que resume las Fortalezas,
Oportunidades, Debilidades y Amenazas que enfrenta una empresa o un proyecto,
y que permite trazar cursos de acción sobre la base de un diagnóstico tanto
interno como externo.
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De esta forma, tanto las fortalezas como las debilidades son internas en la
organización o proyecto, por lo que es posible actuar directamente sobre ellas. En
cambio las oportunidades y las amenazas son externas, y solo se puede tener
control sobre las ellas modificando los aspectos internos.
Las fortalezas son las capacidades especiales con que cuenta el proyecto, y que
le permite tener una posición privilegiada frente a la competencia. Recursos que
se controlan, capacidades y habilidades que se poseen, actividades que se
desarrollan positivamente, etc.
Buen ambiente laboral
Buena calidad del producto final
Equipamiento de última generación
Procesos técnicos y administrativos de calidad
Cualidades del servicio que se considera de alto nivel
Las Oportunidades son aquellos factores que resultan positivos, favorables,
explotables, que se deben descubrir en el entorno en el que actúa la empresa o
proyecto, y que permiten obtener ventajas competitivas.
Regulación a favor.
Necesidad del producto.
Fuerte poder adquisitivo del segmento meta.
Las Debilidades son aquellos factores que provocan una posición desfavorable
frente a la competencia, recursos de los que se carece, habilidades que no se
poseen, actividades que no se desarrollan positivamente, etc.
Salarios bajos.
Equipamiento viejo.
Falta de capacitación.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 132
Las Amenazas son aquellas situaciones que provienen del entorno y que pueden
llegar a atentar incluso contra la permanencia de la organización y/o proyecto.
Al tener ya determinadas cuales son las FODA en un primer plano, nos permite
determinar los principales elementos de fortalezas, oportunidades, amenazas y
debilidades, lo que implica hacer ahora un ejercicio de mayor concentración en
donde se determine cómo afecta cada uno de los elementos de FODA al proyecto
hidráulico.
Inexistencia de competencia
Aumento de precio de insumos
La importancia de confeccionar y trabajar con una matriz de análisis FODA reside
en que este proceso nos permite buscar y analizar, de forma proactiva y
sistemática, todas las variables que intervienen en el negocio con el fin de tener
más y mejor información al momento de tomar decisiones.
Si bien la herramienta estratégica ideal para plasmar la misión, la visión, las
metas, los objetivos y las estrategias de una empresa es el Plan de Negocios,
realizando correctamente el análisis FODA se pueden establecer las estrategias
Ofensivas, Defensivas, de Supervivencia y de Reordenamiento necesarias para
cumplir con los objetivos empresariales planteados.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 133
Tabla 26 Análisis FODA del proyecto
Factores
Internos
Factores
Externos
Fortalezas
1. Rentabilidad 2. Innovación 3. Ahorro 4. Equipo de última generación
Debilidades
1. Equipo extranjero 2. Falta de inversión 3. Falta de recursos 4. Equipo viejo
Oportunidades
1. Llegar a más casas 2. Servicio de calidad 3. Sin falla de servicio 4. Confiabilidad operacional
FO
1. Con mayor rentabilidad, hay un servicio de calidad. (F1,O2) 2. Con mayor innovación hay menos fallas de servicio (F2,O3) 3. Con un mayor ahorro en fugas, llegaría a mas casas (F3,O1) 4. Con equipos de última generación, hay una mayor confiabilidad operacional (F4,O4)
DO
1. Con equipo extranjero puede incrementar fallas en el servicio. (D1,O3) 2. Con la falta de inversión, el agua no llegaría a las casas (D2,O1) 3. Habiendo falta de recursos baja la confiabilidad operacional del equipo (D3,O4) 4. Con equipos viejos no hay servicio de calidad o es deficiente (D4,O2)
Amenazas
1. Mala operatividad del personal 2. Aumento de precio de insumos y combustibles 3. Impacto social 4. Impacto ambiental
FA
1. La rentabilidad podría verse afectada por la mala operatividad del personal. (F1,A1) 2. La innovación podría traer consigo el aumento del precio de insumos y combustibles. (F2,A2) 3. El ahorro económico tendría un impacto social sin precedentes. (F3,A3) 4. EL uso de equipos de última generación provocaría un cambio en el ambiente, dando un impacto positivo o negativo. (F4,A4)
DA
1. El equipo extranjero puede provocar la mala operatividad del personal sin la debida capacitación. (D1,A1) 2. La falta de inversión y el no bajar información de nuevas fuentes alternas de energía, puede provocar el aumento a los insumos y combustibles. (D2,A2) 3. La falta de información provoca zozobra y malestar social. (D3,A3) 4. El equipo viejo u obsoleto podría provocar un impacto ambiental irreversible para la región. (D4,A4)
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4.2 Cotización del equipo y accesorios
Es necesario tener una cotización o estimación de donde partir. La función de las
cotizaciones es tener una idea clara y concisa sobre el valor real de un bien o un
servicio y así conocer cuánto se necesitará invertir para poderlo desarrollar.
Cabe aclarar de que este trabajo solamente tiene la finalidad de seleccionar los
equipos y hacer una propuesta, por lo que, no entra en consideración el costo de
mano de obra, obra civil, uso y/o renta de maquinaria, etc.
El anexo IV-A muestra un cuadro comparativo y se podrá observar la base para la
adquisición de los equipos y sus accesorios. La información es proporcionada por
proveedores con los cuales cuenta la oficina operadora de la Comisión Municipal
de Agua y Saneamiento de Minatitlán, Veracruz y que servirá de referencia para
el análisis de costos y la posterior toma de decisiones para la adquisición de los
equipos electromecánicos y sus accesorios.
4.3 Costo – Beneficio
La técnica de análisis costo – beneficio, tiene como objetivo fundamental
proporcionar una medida de la rentabilidad de un proyecto, mediante la
comparación de los costos previstos con los beneficios esperados en la realización
del mismo.
Un análisis costo - beneficio por sí solo no es una guía clara para tomar una buena
decisión, por lo que este análisis, permite definir la factibilidad de las alternativas
planteadas o de un proyecto al ser desarrollado.
Los costos incluyen el equipo electromecánico, accesorios, infraestructura
hidráulica, mantenimiento general a la red de tuberías de distribución, entre otros.
Los beneficios se ven reflejados en la productividad, reducción de costos de
energía eléctrica para el organismo operador, mayor recaudación por concepto del
servicio de agua potable, el 100 % o casi el 100 % de la población actual y
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población futura de la ciudad de Minatitlán abastecida del vital líquido, entre el
2015 y 2035, entre otros.
Cédula del material seleccionado y sugerido al: 15 de Abril del 2014.
Tabla 27 Costo – Beneficio
COSTO DEL EQUIPO PRECIO CON I.V.A. BENEFICIO
Bomba sumergible $ 135 720.00 Extracción de agua limpia
Válvula aliviadora de presión
$ 928.00 Evita fractura de tubería
derivado del golpe de ariete en
la tubería debido al paro
inesperado del equipo y/o fallo
de energía eléctrica.
Válvula de compuerta $ 11 252.00 Verifica la calidad del agua en
caso de que haya problema de
arenas en el pozo.
Tanque de regulación
$ 1 412.88 Mantiene un caudal en reserva,
así como de emergencia en
caso de algún incendio; de
igual forma ayudar en el bajo
consumo de agua en los
periodos de menos demanda
de la ciudad.
Tubería de PVC $ 251.72 Abarata costos y
mantenimiento continuo, y
asegura funcionalidad por 20
años.
Total $ 149 564.60
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Conclusiones
El siguiente trabajo se basa principalmente en una alternativa para lograr el
abastecimiento de agua potable, de una forma segura y limpia para los siguientes
20 años. Así también, un plan de ingeniería que ayudará a la conservación de los
equipos electromecánicos y sus accesorios, brindándoles periodos de trabajo
cortos y así abatir costos de energía eléctrica que se verán reflejados para el
organismo operador del agua potable a nivel municipal y estatal ayudando en la
sustentabilidad y mejoramiento del medio ambiente; por otra parte, procurará
mantener con buen aforo de los pozos y no sobreexplotarlos para no llegar al
punto de secarlos y desabastecerlos. Aunque está probado que los mantos
acuíferos se recuperan de una manera rápida, hay que suponer que la naturaleza
pueda cobrar factura en el terreno por la acción constante del ser humano al
explotar este recurso natural.
Con la elaboración de este proyecto, se pudo resolver una interrogativa
mostrando la metodología del cálculo práctico, que ofrece la solución más
correcta, buscando grandes ventajas tanto en su operación como en su
mantenimiento. Se tuvo la oportunidad de tomar en cuenta los principios de la
hidráulica, además de que se demostró la importancia de utilizarlos con un criterio
adecuado, para cumplir con los objetivos deseados.
En la selección del equipo de bombeo y sus accesorios, se propuso encontrar la
óptima economía para el equipo mecánico y eléctrico. Su capacidad fue calculada
de acuerdo a las necesidades de la ciudad proyectadas para dentro de 20 años,
(con un incremento del 100 % de la población), buscando que el consumo de
energía eléctrica fuese lo más económico posible.
Como se mencionó anteriormente, los beneficios se ven reflejados en la
productividad, reducción de costos de energía eléctrica para el organismo
operador, mayor recaudación por concepto del servicio de agua potable, el 100 %
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 137
o casi el 100 % de la población actual y población futura de la ciudad de Minatitlán
abastecida del vital líquido, entre el 2015 y 2035, entre otros.
En conclusión, gracias a los sistemas de bombeo, el agua que existe en nuestro
planeta y que en muchas ocasiones no está a nuestro alcance directo, hacemos
que llegue en cantidad y calidad que las necesidades así lo requieran.
Recomendaciones principales
Se debe de tomar en cuenta que las unidades que se manejen deben de
ser el Sistema Internacional para que haya una homogeneización y una
mejor comprensión del fenómeno que se quiere resolver por medio de las
ecuaciones de hidráulica.
Se debe de contar con diferentes fuentes para que no haya discrepancia en
el momento de tomar decisiones para implementar algún sistema.
Se debe estar en contacto con personas e instancias que estén a cargo de
los proyectos de ingeniería y en particular en el área de hidráulica, ya que al
momento de que surja alguna duda, pueda ser aclarada en ese instante y
no acarrear alguna que pueda desembocar en algún error de cálculo y
mucho menos que ponga en peligro a la población.
Este trabajo es solamente un apoyo para la realización y puesta en marcha
de alternativas de abastecimiento de agua y no la única forma para poder
mejorar el sistema existente al momento.
Se debe de tener en cuenta también que, si un sistema lleva trabajando
mucho tiempo y de buena forma y no presenta ningún problema o detalle,
se debe de dejar así, ya que podría salir más caro reparar algún problema
provocado que un desperfecto imperfecto.
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Glosario
A
Agua.-
Líquido incoloro, inodoro e insípido compuesto de dos moléculas de Hidrógeno y
una de Oxígeno. Elemental para las necesidades básicas y actividades
importantes del ser humano. Elemento con mayor abundancia en el mundo.
Ademe.-
Tubo metálico de diámetro y espesor definidos, liso o ranurado, cuya función es
evitar el derrumbe o el colapso de las paredes del pozo que afecten la estructura
integral del mismo. En su porción ranurada, permite el flujo del agua hacia adentro
y profundidad del pozo.
Acuífero.-
Formación geológica por la que circulan o se almacenan aguas subterráneas que
puedan ser extraídas para su explotación.
C
Cárcamo de bombeo.-
Estructura diseñada para recibir y contener la cantidad de agua requerida por el
equipo de bombeo, en la cual se considera la velocidad de aproximación del agua,
la sumergencia mínima y su geometría en relación con la localización del equipo
que permita el bombeo adecuado del gasto de diseño.
Carga.-
Es la presión que ejerce una columna vertical de un líquido en cualquier punto,
debido a su peso se le conoce como carga. La altura de la columna de líquido se
le conoce como carga estática y se expresa en unidades de longitud (m, ft). Es la
medida del incremento de energía impartida al líquido por la bomba por unidad de
peso.
Capacidad.-
Las condicione de la aplicación fijan la capacidad requerida. El requisito principal
de una bomba es el de entregar la cantidad correcta del líquido (Q) contra la carga
(H) existente en el sistema.
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Conducto.-
Tubería o canal de la red de distribución de agua de una localidad. Los conductos
que se utilizan para transportar fluidos son de dos clases: conductos cerrados
(tuberías en las cuales el fluido se encuentra bajo presión o depresión) y
conductos abiertos (canales). En dichos conductos existe una oposición de la
circulación del fluido que se debe principalmente al rozamiento que existe con la
pared del conducto.
Consumo de agua.-
Volumen de agua utilizado para cubrir las necesidades de los usuarios; habiendo
diferentes consumos: doméstico, comercial, industrial, servicios varios, etc.
D
Demanda.-
Volumen total de agua requerido por la población para satisfacer todos los tipos de
consumo, incluyendo las pérdidas del sistema.
Densidad absoluta o específica (ρ).-
Se define como la relación de la masa de una sustancia entre la unidad de
volumen. Sus unidades son el kg/m3, y para el agua en específico, a nivel del mar
y a 4ºC (39.2 ºF) su densidad es de 1000 kg/m3. La densidad está en función de la
temperatura y la presión. Su expresión matemática es:
Densidad relativa (ρr).-
Esta propiedad física es la relación entre la densidad (ρ) de una sustancia y cierta
densidad de agua a 4 ºC o la densidad del mercurio. Esta densidad relativa está
en función de la temperatura y de la presión. Esta propiedad es adimensional.
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Descarga.-
Es la acción de verter, infiltrar, depositar o inyectar cualquier fluido a un cuerpo
receptor.
Desinfección.-
Destrucción de organismos patógenos por medio de productos químicos o
procesos físicos.
Dotación.-
Cantidad de agua asignada a cada habitante para satisfacer sus necesidades
personales en un día media anual. Consumo diario per cápita.
E
Estación de bombeo.-
Sitio donde se instalan lo equipos electromecánicos para elevar el agua de un
lugar bajo a un lugar alto. Lugar donde se lleva a cabo la distribución de agua
hacia los ramales de la red municipal.
Evaporación.-
Separación del agua de los sólidos disueltos utilizando energía calorífica como
agente de separación, condensando finalmente el agua para su aprovechamiento.
F
Fibrocemento.-
Material derivado del cemento, fabricado con una mezcla de cemento Pórtland y
fibras y se utiliza para fabricar placas ligeras que se ocupan en el campo de la
construcción, aunque este material se ha venido usando en tuberías, en el área de
la fontanería.
Filtración.-
Remoción de partículas suspendidas en el agua, haciéndola fluir a través de un
medio filtrante de porosidad adecuada.
Fluido.-
Es la modalidad de materia que debido a su poca cohesión intermolecular carece
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 141
de forma propia y adopta la forma del reciente que lo contiene. Se clasifican en:
Fluidos Ideales, Fluidos Reales o Newtonianos y Fluidos No Newtonianos.
Fuente de abastecimiento.-
Sitio del cual se toma agua para el suministro al sistema de distribución o red.
Fuga.-
Escape de agua por la pared de la tubería, sus dispositivos de unión y accesorios.
Se considera fuga a partir de un escurrimiento (las zonas húmedas de la pared no
se consideran fugas).
G
Gasto.-
También llamado flujo volumétrico, se le llama al volumen de agua medido en una
unidad de tiempo, generalmente se expresa en litros por segundo (l/s).
Grafica de presiones.-
Presiones relativas preferidas a la atmosfera local o presión barométrica variable
(línea de trazos). En la siguiente figura se muestra gráficamente las presiones que
se han mencionado anteriormente y se puede visualizar claramente una de la otra.
Fig. 32 Grafica de presiones
H
Hidráulica.-
Rama de la Física y de la Mecánica de Fluidos, ampliamente presente en
la ingeniería y se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 142
los líquidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y a
las condiciones a que esté sometido el fluido, relacionadas con la viscosidad de
éste.
L
Línea de conducción.-
Se llama línea de conducción al conjunto integrado por tuberías, estaciones de
bombeo y dispositivos de control que permiten el transporte del agua desde una
sola fuente de abastecimiento, hasta un solo sitio donde será distribuida en
condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión.
Líquido.-
Es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente
incompresible.
N
Nivel freático.-
Nivel superior de la zona saturada de la fuente de sustracción o pozo en donde se
encuentra el punto de brote libre del agua contenida en el mismo.
P
Pérdida física.-
Volumen de agua que entra al sistema de distribución de agua, que no es
consumido.
Peso específico (γ).-
Es la relación entre el peso de la sustancia por unidad de volumen, sus unidades
son kg/m3. El peso específico varía de acuerdo a la temperatura ya que al haber
un aumento de temperatura habrá una disminución de peso específico y la
densidad. Su expresión matemática es
Periodo de Diseño.-
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 143
Lapso de tiempo en el cual se diseña el sistema y se estima que la obra o
elemento del proyecto alcance su máxima eficiencia.
Población del proyecto.-
Número de habitantes de una localidad al final del periodo de diseño.
Pozo.-
Es una perforación que se realiza en el suelo bajo normas establecidas, con el
objetivo de extraer agua u otras sustancias. Todos los pozos perforados deben de
proporcionar información geológica y de aforo con el propósito de explotar
racionalmente el yacimiento.
Presión.-
Se define como la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido o un gas
perpendicularmente a dicha superficie. La presión se mide en atm, N/m2, Pa,
m.c.a., kg/cm2, y su ecuación es la siguiente:
Presión absoluta (pabs).-
Es la presión media con relación al cero absoluto (vacío total al cien por ciento de
vacío). Esto se explica de la siguiente forma: es la presión atmosférica más la
presión manométrica en un punto de medición.
Presión atmosférica (patm).-
Es la superficie libre de un líquido donde existe una presión de aire. Ésta varía con
la temperatura debido a que al disminuir ésta, el aire se torna más denso y pesa
más, por lo tanto la temperatura aumenta, la densidad de aire en la columna
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 144
disminuirá y el peso de ésta. Otro factor que afecta aún más, en forma
determinante la presión atmosférica, es la altitud sobre el nivel del mar. La presión
que se considera normal a nivel del mar tiene un valor de 1 atmósfera o, lo que es
lo mismo, 760 mm de Hg o 1 013 milibares (mbar).
Presión Manométrica (pman).-
Es la presión que indica los instrumentos de medición de presiones, tomándose
como presión relativa de un fluido en un recipiente, afectándole la presión del lugar
donde se está efectuando la medición.
Presión de vacío.-
Es la presión relativa negativa que es menor que la presión atmosférica.
Presión de vapor (pvp).-
Es la presión a la que un líquido se evaporiza rápidamente, desde luego con un
calor adicional o, al contrario, es la presión a la cual el vapor a una temperatura
dada se condensa a líquido si se quita calor, esta presión depende de la
temperatura.
Piezas especiales.-
Son elementos de unión, entre los componentes de una conducción de agua, se
efectúan para realizar intersecciones de conductos, variación de diámetros,
cambios de dirección, conexiones con válvulas y equipos de bombeo, etc. Este
grupo es constituido por juntas, carretes, extremidades, tes, cruces, codos y
reducciones, entre otros.
Puerto de Cabotaje.-Puerto donde solo atiendan embarcaciones, personas y
bienes, en navegación entre puertos o puntos nacionales.
R
Red de distribución.-
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 145
Sistema integrado por un conjunto de tuberías interconectadas, debido a la
existencia de dos o más fuentes de abastecimiento o sitios de distribución.
Resistencia de superficie.-
Es el rozamiento influenciado por la viscosidad, gravedad, asperezas de las
paredes, tensión superficial y compresibilidad del fluido.
S
Sistema de Bombeo.-
Acción o serie de acciones que nos permite conducir agua de un nivel inferior
(pozo) a un nivel superior (tanque de almacenamiento), mediante un equipo de
bombeo.
Sobrepresión y depresión.-
Son las cargas de presión en exceso y por debajo de la presión a flujo estacionario
respectivamente, que existen después de presentarse los fenómenos transitorios.
Sumergencia mínima.-
Es la altura medida desde la superficie del líquido a nivel mínimo a la campana de
succión en una bomba vertical o al eje del impulsor en una horizontal, la cual es
requerida para prever vórtices y entrada de aire a la succión de la bomba y está
asociada a cumplir con la Carga de Succión Neta Positiva (NPSH) para garantizar
una operación adecuada del equipo de bombeo.
T
Tanque de cambio de régimen.-
Estructura contenedora utilizada para efectuar la interconexión cuando la
conducción se efectúa por ambos regímenes: bombeo – gravedad.
Tanque de regulación o distribución.-
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 146
Estructura ubicada generalmente al final de la conducción y diseñada para
almacenar agua acorde con las extracciones de la fuente de almacenamiento y
demanda de los usuarios.
Temperatura.-
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas
en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura
no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su
tamaño. A continuación se muestran las escalas de temperatura
Cabe hacer mención que el grado Réaumur (R) en la actualidad es una escala de
temperatura en desuso. Fue nombrada por René Antoine Ferchault de Réaumur,
que la propuso como unidad en 1731. René estudió la dilatación del termómetro
de alcohol entre el hielo fundente y el agua hirviendo y descubrió que un volumen
de alcohol de 1000 partes pasaba a 1080, por lo que, tomando como fijos estos
dos puntos, dividió su escala en 80 partes.
Este sistema de temperatura es utilizado en ocasiones para medir la temperatura
de los almíbares y los caramelos.
Las conversiones son las siguientes:
De Réaumur a Celsius es:
De Réaumur a Kelvin es:
Relación Celsius, Kelvin, Fahrenheit, Réaumur:
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 147
Tren de piezas especiales.-
Es el conjunto formado por válvulas, carretes, tes, y demás accesorios, ubicados
según el diseño de conducción. Este conjunto permite conectar adecuadamente
los equipos de bombeo con la tubería, ofreciendo a los mismos control y
protección.
Tubería.-
Conjunto formado por tubos de unión o ensamble de diferentes diámetros y
materiales para fines de conducción o distribución de agua en un sistema
hidráulico.
V
Válvula.-
Accesorio o dispositivo que permite el control del flujo en la conducción,
atendiendo a situaciones de: corte y control de flujo, acumulación de aire, por
llenado y vaciado de la conducción, depresiones y sobrepresiones generados por
fenómenos transitorios, y retroceso del agua por el paro del equipo de bombeo,
entre otras.
Vaso regulador.-
Un vaso regulador es un área aledaña a un cuerpo de agua como una laguna, un
arroyo o un río que durante la época de lluvias, en los que los excesos de agua se
desbordan hacia esos espacios inundables que tienen la función de concentrar o
amortiguar toda la carga de agua excedente.
Vida útil.-
Es el lapso de tiempo en el cual se estima que el proyecto funcione
oportunamente, es decir, en las condiciones eficientes y adecuadas.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 148
Viscosidad.-
Propiedad física de los fluidos es la resistencia que el fluido presenta en un
movimiento cortante, es decir, un rozamiento interno.
Viscosidad absoluta o dinámica (μ).-
Es la resistencia opuesta por un fluido al movimiento relativo de sus partes.
Viscosidad cinemática ( .-
Es el cociente de la viscosidad dinámica con respecto a la densidad. Su expresión
matemática es la siguiente
Volumen específico (Vs).-
El volumen específico de un fluido es su volumen por unidad de masa o el
recíproco de la densidad absoluta. Su expresión matemática es la siguiente
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 149
Bibliografía
1. BOMBAS: TEORÍA, DISEÑO Y APLICACIONES
Autor: Ing. Manuel Viejo Zubicaray
Editorial: LIMUSA.
Tercera Edición.
2. MECÁNICA DE FLUIDOS Y MÁQUINAS HIDRÁULICAS
Autor: Claudio Mataix
Editorial: Ediciones del Castillo, S.A., Madrid
Segunda Edición.
3. MECÁNICA DE FLUIDOS
Autor: Robert L. Mott.
Editorial: Pearson.
Sexta Edición.
4. ADMINISTRACIÓN ESTRATÉGICA
Autor: Zacarías Torres Hernández
Editorial: Grupo Editorial Patria
Primera Edición.
5. MANUAL ASPumps: Bombas Sumergibles y Turbinas Verticales; Curvas
de Operación.
6. MANUAL TÉCNICO: Turbosistema para Pozos profundos.
7. ATLAS DEL AGUA EN MÉXICO 2012, Comisión Nacional de Agua
(CONAGUA).
Edición Agosto, 2012
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 150
8. MANUAL DE CONDUCCIÓN, Gerencia de Ingeniería Básica y Normas
Técnicas, CONAGUA.
Edición Diciembre 2007.
9. MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO.
Alcantarillado Sanitario, CONAGUA.
Edición Diciembre de 2009.
10. MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO.
Diseño de Instalaciones Mecánicas, CONAGUA.
Edición Diciembre de 2007.
11. MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO.
Diseño Construcción, Operación de Tanques de Regulación para
Abastecimiento de Agua Potable, CONAGUA.
Edición Diciembre de 2007.
12. Tesis: Diseño Hidráulico de una Línea de Conducción de Agua Potable
por Gravedad a la Población de Arteaga, Michoacán. Mario Alberto
Hernández Hernández.
Edición 2008. Págs. 34 – 35.
13. SUBDIRECCIÓN GENERAL DE AGUA POTABLE, DRENAJE Y
SANEAMIENTO. Eficiencia de Sistemas de Bombeo – Segunda Edición,
CONAGUA.
Edición 2009. Págs. 5 – 7.
14. Hansen Patricia, Arreguín Felipe, Guerrero J. Ecuación Universal para el
Cálculo de Pérdidas en Redes de Agua Potable – Ecuación Modificada
de Colerbrook – White.
15. PLAN NACIONAL DE DESARROLLO 2013 – 2018, Programa Nacional
Hídrico.
16. CONSEJO DEL SISTEMA VERACRUZANO DEL AGUA, Participación del
Estado de Veracruz en el IV Foro Mundial del Agua 2006.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 151
Anexos
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 152
A – 1 Nomenclatura
A Área
a Aceleración
C Constante
CDT Carga dinámica total
Cvd Coeficiente de variación diaria
Cvh Coeficiente de variación horaria
D Diámetro
Ec, Ep, Ez Energía cinética, energía potencial y energía de posición
F Coeficiente de variación horaria de bombeo
g Aceleración de la gravedad
H Altura total (constante de Bernoulli), altura efectiva (bomba)
hd Altura dinámica
hp Altura de presión
hr Pérdida por rozamiento
hr – ext Pérdidas exteriores a una máquina
hL Pérdidas primarias
hrs Pérdidas secundarias
hs Altura de succión
k Coeficiente geométrico de un perfil, rugosidad absoluta de una
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 153
tubería.
L Longitud
l Litros
Le Longitud equivalente
m Metros
n Coeficiente de rugosidad (Manning)
P Potencia
Ph Potencia hidráulica
Pa Potencia de accionamiento
Pe Potencia eléctrica
p Presión
pa Presión absoluta
patm Presión atmosférica
pman Presión manométrica
pv Presión de vapor
Q Caudal
Qe Gasto de entrada al tanque de regulación
Qmed Gasto medio diario
Qmaxd Gasto máximo diario
Qmaxh Gasto máximo horario
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 154
Re Número de Reynolds
SI Sistema Internacional de Unidades
T Temperatura
t Tiempo
tb Tiempo de bombeo
Vtanque Volumen del tanque de regulación
v Velocidad
z Altura geodésica
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A – 2 Nomenclatura griega
γ Peso específico
ε Rugosidad relativa
ηb Eficiencia de la bomba
μ Coeficiente de viscosidad dinámica
ρ Densidad absoluta
ρr Densidad relativa
Σ Sumatoria
Coeficiente de viscosidad cinemática
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A – 3 Tablas y dibujos
Fig. 33 Ejemplo de un estudio geofísico para la perforación de pozos profundos
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 157
DIAMETRO NOMINAL (PULG.)
DIAMETRO EXTERIOR
DIAMETRO INTERIOR
ESPESOR DE PARED
PRESIÓN A 23°C
PESO APROX KG/M (PULG)(OD) (MM) (PULG)(ID) (MM) (PULG)(T) (MM) (PSI) (KG/CM2)
½" 0.840 21.3 0.609 15.5 0.109 2.8 600 42.0 0.24
¾" 1.050 26.7 0.810 20.6 0.113 2.9 480 33.6 0.32
1" 1.135 33.4 1.033 26.2 0.133 3.4 450 31.5 0.47
1¼" 1.660 42.2 1.363 34.6 0.140 3.6 370 25.9 0.63
1½" 1.900 48.3 1.593 40.5 0.145 3.7 330 23.1 0.76
2" 2.375 60.3 2.049 52.0 0.154 3.9 280 19.6 1.01
2½" 2.875 73.0 2.455 62.1 0.023 5.2 300 21.0 1.60
3" 3.500 88.9 3.042 77.3 0.216 5.5 260 18.2 2.10
4" 4.500 114.3 3.989 101.5 0.237 6.0 220 15.4 2.98
6" 6.625 168.3 6.031 153.2 0.280 7.1 180 12.6 5.26
8" 8.625 219.1 7.942 201.7 0.322 8.2 160 11.2 7.89
10" 10.750 273.1 9.976 253.4 0.365 9.3 140 9.8 11.20
12" 12.750 323.9 11.889 302.0 0.406 10.3 130 9.1 14.80
14" 14.000 355.6 13.073 332.1 0.437 11.1 130 9.1 17.56
16" 16.000 406.4 14.940 379.5 0.500 12.7 130 9.1 22.93
18" 18.000 457.2 16.809 426.9 0.562 14.3 130 9.1 29.91
20" 20.000 508.0 18.743 476.1 0.593 15.1 120 8.4 35.13
24" 24.000 609.6 25.544 572.6 0.687 17.4 120 8.4 48.89
Tabla 28 Diámetros internos para tubería comercial de PVC.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 158
Tabla 29 Diámetros nominales para tubería de acero comercial cédula 40.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 159
Fig. 34 Datos técnicos de la bomba seleccionada
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 160
Fig. 35 Especificación de materiales componentes de la bomba seleccionada.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 161
Fig. 36 Cotización de un estudio geofísico para realizarse en la ciudad de Minatitlán, Veracruz.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 162
Fig.37 Plano de un pozo profundo y de su tren de descarga, así como algunas especificaciones de
construcción y detalles de piezas mecánicas.
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CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 163
Partida
Partida
Cantidad
Cantidad
Concepto /Descripción
Concepto / Descripción
Unidad
Proveedores
Selección de
Proveedor
Observaciones
Bombas y Equipos del Golfo Bombas, Refacciones, Servicios y Conexiones Precios Unitarios Catálogo de CNA
P. Unitario IVA Total P. Unitario IVA Total P. Unitario IVA Total
1
1
1
1
Bomba vertical tipo turbina Mca. BNJ de 6 etapas, descarga de 8" incluye flecha de ajuste.
Columna roscada lub. agua de 8" con flecha de transmisión
metalizada en zona de trabajo es tramo de 3.05 m de longitud
cuerpo de tazones tipo turbina de 6 pasos, con impulsor de br.
Un colador tipo canasta de 8".
Pieza
$ -
$ -
$ -
$ -
$ -
$ -
$ - $ - $ - $ - $ - $ -
-
2
2
1
1
Motor eléctrico vertical flecha hueca de 75
HP, marca US con trinquete de no retroceso.
Pieza
$ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ -
-
3
3
1
1
Bomba vertical tipo turbina completa Mod.
1 PWLIC Mca. W alson para pozo profundo, caudal
50 l.p.s., Diámetro de impulsor
201 mm No. de pasos 6, Velocidad angular 1770 r.p.m.
Pieza
$ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ -
-
4
4
1
1
Motor eléctrico trifásico de 75 HP/440
V/60 Hz/6 Polos/1800 r.p.m./Tipo vertical c/flecha hueca con
trinquete de no retroceso
Pieza
$ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ -
-
5
5
1
1
Suministro, colocación y prueba de bomba tipo
sumergible
para gasto de 35.0 lps y CDT= 92 MCA, marca Grundfos
modelo 475S00-7A, de 3 pasos, con diámetro de descarga de
6", acoplada a motor eléctrico sumergible de
60.00 HP = 44.76 kW , 3450 rpm, 440 V,
3F. Con sello mecánico especial para evitar entrada de
arena al motor Incluye:
100 m. de cable sumergible calibre 3x2 awg, para pozo con
ademe de 14"Ø
Pieza
$ - $ - $ - $ - $ - $ - $ 117, 000.00 $ 18, 720.00 $ 135, 720.00
Precios
Unitarios CNA
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
6 2 Junta Dresser de 10" Pieza $3.156,00 $ 504,96 $ 7.321,92 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
7 2 Válvula Comp. Bridada de 10" C-125 Pieza $9.700,00 $ 1.552,00 $ 22.504,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
8 1 Válvula de expulsión de aire de 2" Pieza $800,00 $ 128,00 $ 928,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
9 1 Válvula check bridada de 10" C-125 Pieza $14.950,00 $ 2.392,00 $ 17.342,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
10 1 Manómetro con glicerina C. 1 1/2" Pieza $1.500,00 $ 240,00 $ 1.740,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
11 2 Tubos de acero de 10" 3.05 m de longitud Pieza $3.900,00 $ 624,00 $ 9.048,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
12 4 Brida de acero Slip-On de 10" Ø Pieza $1.500,00 $ 240,00 $ 6.960,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y cerca de la región de Minatitlán, Ver.
13 2 Coples de 10" para columna Pieza $3.200,00 $ 512,00 $ 7.424,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
14 1 Arrancador a T.R. SIEMENS de 75 HP, 3 fases,
440 V, en gabinete metálico
Pieza $27.600,00 $ 4.416,00 $ 32.016,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
15 1 Pera de nivel con cápsula de mercurio Pieza $2.000,00 $ 320,00 $ 2.320,00 $ - $ - $ - $ - $ - $ - Bombas y Equipos del
Golfo
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
16 1 Electronivel en el Ademe y tanque de almacenamiento.
Pieza $ - $ - $ - $ 8.900,00 $ 1.424,00 $ 10.324,00 $ - $ - $ - Bombas, Refacciones,
Servicios y
Conexiones
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
17 1 Gabinete eléctrico de control de electronivel Pieza $ - $ - $ - $ 1.300,00 $ 208,00 $ 1.508,00 $ - $ - $ - Bombas, Refacciones,
Servicios y
Conexiones
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
18 3 Suministro, instalación y pruebas de tubo de PVC hidráulico
Rd - 41 de 200 mm
(8").
Metro $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ 217,00 $ 34,72 $ 755,16
Precios Unitarios CNA
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
19 3
Codo 90° Radio Largo 75 mm
Pieza $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ 208,00 $ 33,28 $ 723,84
Precios Unitarios CNA
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
20 2
Codo 45° Radio Largo 50 mm
Pieza $ - $ - $ - $ - $ - $ - $ 85,00 $ 13,60 $ 197,20
Precios Unitarios CNA
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
21
15
Mampostería en muros con acabado común con piedra de pepena en muros de espesor menor de 0.61 a 1.00 m a cualquier altura, asentada con mortero cemento arena 1:3, se incluye la selección de la piedra, su carga y acarreo y descarga en 1er. km, el cemento arena y agua puestos en el sitio de su colocación.
m3
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$ 1.218,00
$ 194,88
$ 21.193,20
Precios
Unitarios CNA
La mejor opción de forma económica
operacional y proveedores reconocidos y
cerca de la región de Minatitlán, Ver.
Total $ 68.306,00 $ 10.928,96 $ 107.603,92 $ 10.200,00 $ 1.632,00 $ 11.832,00 $ 118.728,00 $ 18.996,48 $ 158.589,40
TOTAL
$ 278.025,32
CUADRO COMPARATIVO DE LA SELECCIÓN DE RECURSOS NECESARIOS PARA UN SISTEMA DE BOMBEO FECHA:
Tabla 30 Cuadro comparativo de 3 proveedores seleccionando el más adecuado y teniendo un total tentativo.
CUADRO COMPARATIVO DE LA SELECCIÓN DE RECURSOS NECESARIOS PARA UN SISTEMA DE BOMBEO FECHA: 15 de Abril de 2014
PROPUESTA TÉCNICO – ECONÓMICA PARA LA HABILITACIÓN DE POZOS PROFUNDOS DEL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE EN LA CIUDAD DE MINATITLÁN, VERACRUZ.
CERVANTES GÓMEZ ALBERTO ALEJANDRO 164
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