Desage

Drenajendice

Introduccin

1.- origen del agua de las minas

1.1.- Ciclo hidrolgico

1.2.- Hoya hidrogrfica

1.3.- Agua subterrnea

1.3.1.- Calidad del agua subterrneas

1.3.2.- Calidad del terreno.

1.3.3.- Distribucin del agua subterrnea.

1.3.4.- Circulacin del agua subterrnea.

2. Efectos de las aguas en las minas.

2.1.- Minera a cielo abierto

2.2.- minera subterrnea

3. Medidas para prevenir inundaciones

3.1.- Influencia del origen.

3.2.- Mtodos de desage y control de inundaciones.

4. Bombas.

4.1.- Bombas centrfugas.

4.2.- Terminologa.

4.3.- Clculo de potencia necesaria.

4.4.- Curvas caractersticas.

4.5.- Bomba mamut.

4.6.- Bomba de eyector o pulsador.

5.- Instalacin de bombas y pozos colectores.

6.- Tuberas y accesorios.

7.- Seleccin de bombas.

Bibliografa.

Introduccin

En estos apuntes se trata de dar una visin general de los problemas planteados por a presencia del agua en las explotaciones mineras, as como de las soluciones ms frecuentes a esos problemas.

Se han redactado con el nimo de facilitar la compresin y estudio del desage de minas a los alumnos de Ingeniera en Minas. Con dicho fin se ha recopilado informacin de varios autores, haciendo nfasis en lo relativo a bombas, equipos de aplicacin mltiple en las operaciones mineras.

La teora matemtica se ha reducido al mnimo posible para subrayar los aspectos prcticos.

1.- Origen del agua en las minas.

1.1.- Ciclo hidrolgico

El agua evaporada de mares, lagos, ros, etc. por la energa solar, se condensa y vuelve a la superficie terrestre como agua meterica: lluvia, granizo, nieve. Esta agua se reparte en:

Aguas Superficiales: se dirigen hacia el mar o lagos y parte se evapora en el recorrido.

Aguas Infiltradas: se infiltran bajo el suelo, dividindose en: aguas subterrneas profundas o estancadas, aguas subterrnea en movimiento y agua que se evaporan directamente o por intermedio de las plantas.

1.2.- Hoya hidrogrfica.

Las aguas superficiales e infiltradas en movimientos bajo la accin de la gravedad, forman corrientes de agua que se suman a otras formando caudales cada vez mayores. Cada cauce de corriente de agua, superficial y/o infiltrada, tiene un rea a la cual sirve como desage, que se llama la hoya de dicho cause. Los lmites de las hoyas hidrogrficas son las lneas formadas por las cumbres de las cadenas de cerros o lneas divisorias de aguas.

1.3.- Agua subterrnea

1.3.1.- Calidad qumica

No son nunca qumicamente puras. Su contenido en sales es siempre mucho mayor que las aguas superficiales. Es decir son aguas duras en comparacin a las superficiales que son blandas. Esto trae por consecuencia un mayor costo en el ablandamiento de las aguas subterrneas para ser utilizadas en calderas por ejemplo. Las substancias en disolucin las obtiene de la desintegracin de rocas, de los gases del aire, de los gases volcnicos y de fuentes orgnicas. Tambin pueden estar mezcladas con agua salada en las costas.

A veces se clasifican como minerales o no minerales segn contengan grandes cantidades de sales o no, especialmente en relacin con las vertientes, tambin se pueden dividir en termales o no termales segn su temperatura.

1.3.2.- Caractersticas del terreno

El material que contiene el agua subterrnea es heterogneo y son necesarios conocimientos de geologa y mecnica de suelos para estudiar los fenmenos de escurrimiento subterrneo, se pueden dividir en:

Acuferos: materiales que pueden conducir agua en cantidad apreciable.

Acuiclusos: materiales que siendo porosos y capaces de absorber agua lentamente, no la conducen por lo menos en cantidad suficiente para abastecer un pozo o vertientes, ejemplo, las arcillas que pueden contener hasta un 50% de agua, pero no la conducen.

Acufugos: Materiales absolutamente impermeables, ejemplo: rocas sanas, como granito, sedimentos bien cementados. (Formacin sin intersticios interconectados y, por tanto, incapaz de absorber o trasmitir agua).

Zona de aireacin: Se define como la capa que se extiende desde la superficie hasta el nivel hidrosttico.

Sub-zona agua edfica: En esta zona actan las races de las plantas. Vara de algunos decmetros hasta varios metros de profundidad.

Sub-zona agua pelicular y gravitacional: El agua envuelve los granos en forma de pelculas y es retenida en algunos intersticios, pero sin llenarlos totalmente. El exceso de agua, que no puede quedarse retenido como agua pelicular o en los intersticios, se mueve hacia abajo.

Sub-zona agua capilar: El agua asciende desde la zona de saturacin. Puede variar de pocos milmetros hasta 3 metros de espesor, dependiendo del tamao de los huecos del terreno. La altura de ascensin es inversamente proporcional al dimetro de los conductos.

En la zona de aireacin pueden existir napas colgadas, que son volmenes de agua que ocupan y saturan los huecos pero no se escurren y que se deben a depsitos de pequea extensin que se forman por materiales impermeables.

En esta zona predomina el movimiento de infiltracin variando de 1-3 m/mes a 1-3 m/ao (3).

Zona de saturacin: Se define como la capa que se extiende desde el nivel hidrosttico hacia abajo. En esta zona todos los espacios porosos en las rocas se consideran llenos de agua.

Sub-zona de agua de escurrimiento: Los movimientos laterales son predominantes al desplazarse el agua hacia los canales acuferos superficiales. Las velocidades varan entre amplios lmites: 2-3 m/hora a 5 m/ao. (3) (5).

El agua puede escurrir como napa libre, en forma semejante a la de un canal o bien a presin, como en una caera. Los pozos que captan agua a presin se llaman pozos artesianos porque en 1750 se ejecutaron en Artois, en Francia, los primeros pozos con agua a presin. Inicialmente el trmino artesiano se refera a pozos donde el agua sala libremente a la superficie, pero ahora se aplica a cualquier pozo en que nivel sube en cierta magnitud dentro del pozo.

Sub zona de agua profunda o estancada: Es agua sin movimiento. Suelen ser muy duras o sea ricas en sales. Se presenta en accidentes del subsuelo impermeables que barreras al escurrimiento.

La infiltracin del agua tiene un lmite puesto por la permeabilidad de las rocas que decrece con la profundidad y por el gradiente geotrmico que excluye la existencia de agua fluida. El agua subterrnea existe como una envoltura que rodea la parte externa de la tierra, con una base irregular, y que se acumula especialmente en zonas favorables por su permeabilidad y ubicacin.

Segn el clima y ubicacin topogrfica de un lugar, depender el mayor o menor desarrollo de cada zona y sub-zona. Adems los lmites entre ellas sufrirn variaciones estacionales o de mayor plazo segn las variaciones del clima.

Agua en las rocas.

Se clasifican segn su conduccin del agua subterrnea en:

Rocas gneas.

a) Intrusivas: granito diorita andesita basalto diabasa.

Malos acuferos y el agua escurre solo por grietas y fisuras. Porosidad menos 1% del volumen total.

b) Extrusivas: Lavas

Algunas son acuferos pero de poca importancia. Siempre que sean vesiculares y diaclasadas.

Rocas sedimentarias.

Areniscas: buenos acuferos en general. El agua puede escurrir hasta ms de 1.500 m. de profundidad. Porosidad de 15 a 50% del volumen total.

Calizas: normalmente impermeable pero en ellas se forman grietas y aun cavernas debido al ataque de CO2 por donde escurre el agua formando a veces verdaderos ros subterrneos.

Pizarras: Son cacuiclusos.

Rocas metamrficas: Cuarcitas, mrmol, esquistos.

No son acuferos, excepto a veces el mrmol.

1.3.4. Circulacin del agua subterrnea.

Ley de Darcy:

Principio de Dupuit.

2. -Efecto del Agua en las Minas.

2.1. -Minera a cielo abierto (4)

Es afectada tanto por las aguas superficiales (lluvia, nieve, filtracin a partir de ros y lagos) as como de aguas subterrneas.

El equipo usado en la minera a rajo abierto no opera eficientemente bajo condiciones hmedas o barrosas. El costo de mantencin aumenta debido a las perdidas de lubricantes y a la accin abrasiva del agua barrosa.

El agua en los tiros puede causar el derrumbe de estos y hacer necesario un mayor uso de explosivos gelatinosos o revestimientos impermeables.

El transporte de mineral estril hmedo significa un gasto intil en mover agua.

El mineral hmedo se pega en poleas y correas transportadoras, se amontona en chancadores, de cono especialmente, tapndolos o estrechndolos, as como en harneros, parrillas, canaletas y tolvas.

El agua puede causar seria erosin en las paredes de los bancos provocando su desmoronamiento.

2.2. -Minera subterrnea.

Es afectada especialmente por las aguas subterrneas. A los inconvenientes citados para la minera cielo abierto se agrega:- condiciones especialmente desagradables de trabajo que obliga al uso de ropas impermeables y botas.

Debilitamiento de la enmaderacin

Peligro de inundaciones repentinas

Posibilidad de disolucin de sales y su posterior precipitacin en el interior de la mina.

3. -Medidas para Prevenir el aflujo de aguas.

3.1. -Influencia del Origen.

Segn sea la ubicacin del lugar en que esta la mina tendr mayor o menor importancia el agua subterrnea o el agua superficial.

Minas a cielo abierto o subterrneas, ubicadas en lugares alejados de cauces de desage de hoyas hidrogrficas, presentaran nula o poco agua subterrnea. Influir solo el clima local con agua meterica. Parte de esta se habr filtrado siguiendo las estructuras que controlaron la mineralizacin. En este caso podr tener importancia la presencia de acuferos y de estructuras geolgicas que produzcan napas colgadas.

Al contrario, minas ubicadas en lugares muy prximos a los causes de desage de hoyas hidrogrficas, presentaron agua subterrnea. El clima, seco o lluvioso en el lugar de ubicacin, influir muy poco. La cantidad de agua subterrnea a encontrar ser funcin fundamentalmente de la hoya hidrogrfica. Mayor cantidad o mayor precipitacin en la hoya. La mina puede estar ubicada lejos de la zona de precipitaciones (zona de recarga) de la hoya. Influir tambin la presencia de acuferos o de estructuras (grietas, fallas), que facilitan la infiltracin.

3.2. -Mtodos de desage y control de flujos de agua.

Los mtodos usados para desaguar incluyen: canalizaciones, bombeos de pozos recolectores a cielo abierto o subterrneos, tneles, piques, pozos de desage y cementacin. La seleccin del mtodo o combinacin de mtodos esta determinado por el costo en comparacin a las economas producidas. En explotacin subterrnea con peligro de romper napas colgadas o explotaciones antiguas inundadas, se deben efectuar sondajes de reconocimiento.

-Canalizacin:

La desviacin del agua superficial de los bordes de una mina a tajo abierto, es obviamente ms barato que el bombeo. Este bombeo es vlido para la ubicacin de los accesos (bocas de pique y socavones), de minas subterrneas y su defensa de las aguas superficiales, permanentes u ocasionales.

- En la Zona Norte del pas se debe tener en cuenta la posibilidad de aluviones en las quebradas, sera ilgico ubicar piques o socavaciones en el fondo o muy prximo al fondo de quebradas en que existiera esa posibilidad, an remota. Sin embargo se ha producido la inundacin de minas por esta causa.

En la Zona Central y Sur la abundancia de lluvias hace recomendable o necesaria la construccin de canales de desviacin de las aguas.

En la cordillera se debe tener en cuenta adems el peligro de avalanchas de nieve.

En las zonas Central y Sur as como en la cordillera, debido al exceso de lluvias y nieve, normalmente las explotaciones a cielo abierto se realizarn slo en la temporada de primavera a principios de otoo. Se trata de yacimientos no metlicos: calizas y arcillas fundamentalmente.

-Bombeo desde colectores: En minas a rajo abierto con climas lluviosos, el piso de los bancos debe tener inclinaciones para dirigir las aguas lejos de los frentes de explotacin. El agua se colecta en los puntos ms bajos, donde se excavan estanques con la profundidad y tamao suficiente para que operen las bombas y se decante el agua antes de ser bombeada.

El tamao de los estanques debe guardar relacin con el mximo flujo y duracin esperada y con la capacidad de bombeo. Se debe tener una capacidad de bombeo de reserva para afrontar perodos de mantencin de falla de las bombas en servicio, o bien aumentar la capacidad de los estanques colectores.

Lo dicho antes se aplica en minas subterrneas.

Las labores basta que tengan una inclinacin de 0.1%.

El agua debe ir canalizada a un lado de las galeras. En lo posible en canales tapados para impedir su obstruccin. En caso de terrenos muy agrietados puede ser conveniente revestir las canaletas para evitar la infiltracin.

-Tneles de drenaje: En situaciones topogrficas especiales, puede ser factible construir tneles de drenaje, lo cual permite desaguar toda el rea por sobre el tnel. En caso de que la mineralizacin continuara en profundidad, el tnel necesitar bombear el agua hasta la superficie.

-Pozos:

El drenaje desde los pozos se presta para llevar adelantadamente el nivel de agua subterrnea ms abajo del piso inferior en explotaciones a rajo abierto. Con este fin puede ser necesario perforar varios pozos. Se produce as un efecto de traslapamiento de los conos de depresin aumentando su efecto.

Los pozos pueden ser ubicados en torno al lmite del rajo o bien en el interior de este. Es preferible la primera posibilidad, evitndose un nuevo bombeo hasta la superficie.

En Europa, Alemania, se han alcanzado hasta 250 m. de profundidad con pozos para drenar zonas de yacimientos de carbn.

Sondajes de reconocimiento:

Al avanzar en labores subterrneas en zonas en que se teme romper napas colgadas o labores antiguas inundadas, se debe avanzar efectuando taladros de reconocimientos de 6 m. como mnimo de longitud en roca firme y de 20 m. en rocas blandas. Se puede evitar as inundaciones repentinas o golpes de agua. Si los sondajes rompen una napa o zona inundada, puede ser taponado para instalar vlvulas de regulacin o bien aumentar su nmero para acelerar la descarga de la napa.

Diques de cierre (3), (5)

Se utilizan cuando las labores estn amenazadas de inundaciones y se desea mantener un sector libre y abandonar otro, Esto por regla general se hace en labores horizontales.

En caso de que se tema inundaciones repentinas se pueden construir diques con compuertas que permanecen abiertas mientras pueda mantenerse en la explotacin. No se colocan nunca en labores verticales.

La eleccin de la ubicacin es importante. El terreno debe ser firme, sano, compacto y desde luego impermeable, No sirven rocas acuferas como areniscas y conglomerados. Las ms adecuadas son las compactas y que contienen arcillas como las pizarras siliceo-arcillosas. No conviene emplear explosivos para abrir los estribos (apoyo de la cortina de roca), evitando as agrietaduras. Se debe usar martillos picadores o bien tronaduras controladas (Pre-corte)

Los tapones o diques deben ser con estribos en forma de diente de sierra, lo que les da mayor superficie de adherencia a la roca.

Como seguridad, para elevar la resistencia de los diques se aconseja (3) introducir en la roca firme anclajes de fierro de 40 a 50 mm. de seccin cuidando de no daar la estructura de las paredes de roca.

Como hormign se aconseja utilizar una mezcla de 350 Kg. de cemento por m3 de hormign, con ridos bien clasificados. Se debe utilizar concretos puzolnicos que presentan mayor resistencia al ataque de aguas cidas.

En general, para presiones de algunas atmsferas bastar con espesores de 1 a 2 metros.

Conviene dejar instaladas tuberas que pasan de lado a lado del dique, previstas de vlvulas para una eventual descarga. Tambin deben tener conexin para un manmetro que indicar la altura de agua que se este soportando.

Las compuertas (3) se componen de los estribos, el marco y la compuerta misma.

Para presiones de hasta 60 atmsferas (60 m. de columna de agua) los estribos y marco se construyen siguiendo las indicaciones para calcular diques.

Cuando la presin no es mayor de 30 a 40 atmsferas (aproximadamente 300 a 400 metros de columna de agua) la compuerta misma se construye con chapa de acero forjado de 35 a 65 mm. de espesor. Para presiones mayores se construyen de plancha de acero fundido con espesor adecuado a las presiones a resistir.

Las dimensiones pueden ser: ancho 0.9 a 9.7 m.; alto 1.8 a 2.0 m. Para compuertas grandes, dado su peso y dimensiones, se construyen en varias piezas que se acoplan y atornillan en el interior de la mina, usando empaquetaduras de plomo. Este mismo tipo de empaquetadura se utiliza para cierre hermtico de la compuerta.

En el marco, bajo la compuerta a media altura deben ir tubos con vlvulas de cierre. El de abajo para permitir el paso del agua mientras la compuerta esta abierta. El de arriba, para eventuales desages, debe tener adems conexin para manmetro.

- Cementacin: (10) Se puede utilizar con dos fines:

Impermeabilizacin.

Consolidacin.

Se consigue con la cementacin desviar los flujos de agua de las labores as protegidas. No se acta sobre el nivel fretico.

Generalmente la inyeccin de los morteros se hace por perforacin del menor dimetro posible, lo normal de 7 a 5 de dimetro y de 20 m. de largo o ms realizadas con herramientas de percusin o rotacin, las cuales conviene lavar con agua para retirar los detritus. La separacin entre perforaciones ser mayor si hay muchas fisuras y viceversa. Puede variar de 1 a 10 m. segn las circunstancias.

Los morteros pueden ser de tres tipos:

Liquido Ej.: Silicato de sodio. Resina sintticas hidrocarbonatos (asfalto licuado con calor).

Inestables: Agua con cemento (y arcillas etc., ms un estabilizador que demora la sedimentacin por algunas horas.

Estables: Agua con arcillas, cemento y arcillas etc. ms un estabilizador que demora la sedimentacin por algunas horas.

En minera los ms usados son los inestables, del tipo cemento/agua en relaciones de 9/10 a 1/1. Los morteros ms densos se usan en fisuras grandes (decmetros a milmetros de abertura), incluso con agregado de arena fina.

La inyeccin se hace por medio de bombas a mbolo, accionadas con motor de velocidad regulable. La presin de inyeccin puede variar de 1 a 2 Kg./cm2 para fisuras grandes, hasta 50-60 Kg./cm2 para fisuras finas.

La inyeccin se debe hacer por tramos de taladro de no ms de 5 m. desde el fondo hacia arriba, usando tapones especiales para limitar los tramos.

4) Bombas.- (1), (7), (9)

Son maquinas que aspiran un fluido a travs de una bomba de aspiracin y lo expulsan por otra de impulsin. Pueden servir para hacer circular un liquido, como en un conducto, para elevarlo, como se hace desde un pozo a lo alto de un edificio o a zonas lejanas, o para someterlo a presin, como en un freno hidrulico. Estas aplicaciones dependen principalmente de la curva caracterstica de impulsin de la bomba. Se puede Tambin emplear para vaciamiento, casos en que su aplicacin depende de la caracterstica de aspiracin.

Estn basadas en el siguiente principio en el caso de la elevacin:

1) Si se extrae el aire desde un compartimiento llamado cmara de trabajo, creando un vaco parcial, la presin atmosfrica que acta sobre la superficie del lquido que se desea elevar, formar a este lquido hacia la cmara de trabajo. En dicha cmara existen elementos mviles (mbolos, rotores) que lo expulsan hacia fuera a travs de un conducto llamado descarga.

Existen diversas clasificaciones de las bombas, segn sus aplicaciones, forma de funcionar, etc.

En cuanto a la forma de funcionamiento se clasifican como sigue:

a) Centrfugas

b) Rotatorias

c) Alternativas

d) Varias

a) Centrifugas:

Estn constituidas por una caja dentro de la cual rota un rodete con paletas que le imprimen gran velocidad al lquido. La transformacin de energa cintica en la energa de presin necesaria se realiza en canales especiales fijos llamados aparatos de gua.

b) Rotatorias:

Consisten en una caja fija contiene engranajes, tornillos, labes, aspas, pistones u otros elementos que son actuados por rotacin del eje motriz. Se caracterizan por tener un pequeo juego y por no tener vlvulas de succin o descarga. Tienen un gasto formado por pequeos golpes de agua como en las bombas de mbolo, pero que prcticamente es continuo.

c) Alternativas:

Estn formadas por un cilindro dentro del cual se mueve un pistn que aspira o impele el lquido mediante la accin de vlvulas. Son llamadas corrientemente bombas de mbolo. Producen un fuljo o gasto intermitente.

d) Varias:

En este grupo se incluyen los eyectores, los arietes, bombas de aire comprimidos (mamut) etc.

En la actualidad las bombas centrifugas mueven ms fluidos que todas las dems tipos juntos. Esto tambin verdad en el desage de minas, donde las bombas centrfugas son las ms utilizadas.

Otros tipos utilizados algunas veces el desage son las bombas mamut y bombas eyectoras. Describiremos estos tipos de bombas.

El accionamiento es generalmente con motor elctrico con rotor en corto circuito (jaula de ardilla). No es raro en minera los morotes a aire comprimido.

4.1 Bombas centrifugas:

Se caracterizan por:

Uniformidad de capacidad

Tipos disponibles para gran variedad de caudales, alturas e inclusos aguas impuras

Fcil control del caudal

Pequeo tamao en comparacin a otros tipos

Pequeo cimiento en comparacin a otros tipos

Fcil mantencin en comparacin a otros tipos.

Rendimiento de un 70% a un 78%.

Altura mxima de aspiracin 7 m. a nivel del mar que baja a 4 m. a s .n .p

Necesita una presin alta y pequeo caudal o cuando la viscosidad del fluido es demasiada elevada. Ejemplo. Bombas de engranajes para aceite en lubricacin forzada.

Se pueden clasificar de variadas maneras:

a) Existen dos tipos principales segn exista o no difusor.

- Tipos voluta: El impulsor rota dentro de una caja en forma de espiral, cuyas seccin se va ensanchando progresivamente

- Tipos difusor o de paletas directrices: existen paletas directrices fijas que rodean al impulsor, de modo que el lquido cambia de direccin al mismo tiempo que ensancha su seccin.

b) Existen dos tipos segn la succin sea doble o simple, si el agua entra por uno o dos lados del rotor.

c) Existen dos tipos segn hallan uno o varios rodetes; con un rodete son de una etapa para cargas grandes, (alturas de elevacin) se pueden montar uno o ms impulsores o rodetes en una misma caja, de modo que la descarga de uno llega directamente a la aspiracin del siguiente. En bombas corrientes de ejes horizontales generalmente se usan ms de una etapa, para alturas superiores a 50 m. En bombas de ejes vertical (pozos profundos) se usan varias etapas normalmente y cada etapa corresponde a alturas mucho menores que las indicadas siendo corriente que exista una etapa para cada 10 m. aproximadamente. Existen dos tipos: con motor en la superficie y con motor sumergido. Las primera tienen un eje que va por el centro d el tubera y acciona la bomba. Las segundas tienen su motor directamente conectado a la bomba, debajo de ella, de modo que todo el conjunto esta enteramente sumergido. Este tipo es fabricado especialmente en Europa.

d) Existen tres tipos segn sean los rodetes o los impulsores utilizados.

Rodete radical o centrifuga

Rodete axial radial (mixto o helicoidal)

Rodete axial (Hlice)

La forma de los rodetes vara de modo continuo desde los radiales hasta los de flujos axiales.

- Para las presiones altas con caudales pequeos el rodete tendr dimetro grande y poco espesor, labes curvados solamente en el plano de la rotacin (rodete radial).

- Para presiones altas y medias y caudales grandes se reduce el dimetro del rodete, se aumenta el espesor o anchura del conducto y se da a los labes dobles curvaturas, (rodete axial radial) segn el plano de la rotacin y segn el plano perpendicular.

- Para presiones pequeas y grandes caudales se emplean el rodete axial o hlice.

e) Existen tres tipos segn que los rodetes estn cerrados o abiertos:

I) Abiertos, que tienen las paletas sin paredes laterales

II) Semiabiertos, con pared a un solo lado

III) Cerrados, con paredes a los lados.

Los rodetes cerrados se usan para agua pura y los abiertos para agua con slidos, trapos, melazas, etc.

TerminologaEn la elevacin de lquidos se usa la terminologa siguiente:

Altura esttica de aspiracin: Es la diferencia de niveles entre la superficie del lquido por elevar y el eje de la bomba.

Altura esttica de impulsin: Es la diferencia de niveles entre el eje de la bomba y la cota piezomtrica superior (superficie del liquido en el estanque superior se la entrada es ahogada).

Altura esttica de elevacin total: Es la diferencia entre las cotas piezomtricas inferior y superior.

Todas estas alturas estticas son alturas geomtricas.

Las correspondientes alturas dinmicas son iguales a las estticas ms las prdidas de carga.

Normalmente la llegada al nivel superior no es ahogada, sino que la caera desage libremente a la atmsfera. En este caso la altura de impulsin o la altura total estn determinadas por la cota del eje de la caera, pero a la altura dinmica hay que agregar el trmino v2 / 2g. ya que se entrega el agua con velocidad v.

Altura dinmica: Altura esttica + prdida de carga v2 / 2g. En la mayora de los casos este trmino es despreciable.

Cuando el extremo final de la caera est doblado hacia abajo, se produce una accin de sifn y la altura de elevacin se debe tomar hasta el extremo inferior de la caera, mes decir hay que descontar el tramo descendente.

Cebado: Se llama as a la operacin que consiste es extraer el aire de la caera de aspiracin para que quede llena de lquido. Se efecta de dos maneras:

- Llenando la caera con liquido desde una fuente exterior o bien desde la caera de impulsin por medio de una desvi (by-pass).

- Extrayendo el aire por medio de una bomba de vaco.

La caera de aspiracin debe tener en su extremo inferior una vlvula de retencin que permite mantenerla llena de lquido.

El 90% de las faltas de las bombas se debe a filtraciones de aire en la aspiracin.

Clculo de potencia necesario: Para elevar 1 Kilogramo por segundo a la altura de 1 metro, se necesita una potencia de 1 kg./seg.

Para elevar Q Kg./seg., a la altura H metros, se necesita:

Potencia W: Q * H kg-m/seg.

Para expresarlo en caballos y teniendo en cuenta el rendimiento tendremos:

Si suponemos rendimiento de 66% de la bomba:

W = 0.02 Q*H CV Q en Kg./seg.

W = 20 Q*H CV Q en ton./seg.

Que es la frmula aproximada de la potencia para una bomba, moviendo lquido de densidad 1.0.

El valor del rendimiento supuesto es el corriente en grupos de elevadores de tamao mediano aunque es superior en los grandes e inferior en los pequeos.

Si suponemos rendimiento de 85% del motor.

La altura de elevacin H incluye las prdidas en caeras.

Curvas caractersticas: Cada bomba centrfuga tiene sus curvas caractersticas que es la relacin grfica entre el caudal Q y la carga, presin o desnivel H a elevar, el rendimiento y la potencia.

Es indispensables conocer las curvas caractersticas antes de adquirir una bomba, ya que slo as se podr conocer se comportamiento al instalarla en un determinado sistema hidrulico.

Curvas Q-H: En abcisas el caudal o gasto Q y en ordenadas la carga total H a velocidad etc.

A una diferencia de presin nula (H = 0) corresponde el mximo caudal Q, pero sin trabajo til.

A un caudal nulo (Q = 0) corresponde un valor H llamado presin de cierre que tampoco da trabajo til. Es la presin que desarrolla la bomba cuando la vlvula de salida est totalmente cerrada y es generalmente un 15 a 30% superior a la presin normal de operacin.

Las bombas centrifugas al contrario que las de mbolos, permiten que se cierre la vlvula de salida pues su presin de estrangulamiento es limitada y su caja resiste perfectamente esa presin.

En estos casos toda la potencia aplicada a la bomba se transforma en calor y puede producirse el calentamiento y destruccin de la bomba si este calor no se puede disipar a la atmsfera. Esta situacin es muy probable especialmente en las bombas revestidas con goma que manejan relaves y otros liquidos y slidos.

Las curvas pueden ser crecientes o decrecientes denominadas inestables o estables respectivamente.

Curva Q- Potencia: A un caudal Q = 0 se consume el mnimo de potencia (Q = 0 o sea con vlvula carrada) que se gasta slo en presionar el agua contra la vlvula. Es aproximadamente 50-60% de la potencia normal de funcionamiento.

Efectivamente es adecuado por este motivo hacer partir las bombas con la vlvula totalmente estrangulada y se va abriendo poco a poco.

Curva Q- Rendimiento: A un caudal Q = 0 corresponde un R = 0 y llega al mximo rendimiento para la condicin de funcionamiento normal. Luego empieza a descender. Las prdidas de rendimiento de una bomba pueden ser:

I) Hidrulicas: Debido a prdidas de carga al escurrir el lquido. Dependen de la velocidad del lquido y la velocidad es proporcional al caudal.

II) Mecnicas: Debido a rozamiento mecnicos.

III) Filtracin: Debido a que una pequea cantidad de agua se filtra desde el largo de alta presin hacia el lado de baja presin.

Curva de carga del sistema: La curva que indica la presencia entre la prdida de carga total y el caudal Q, corresponde en forma definida a una cierta tubera sin tomar en cuenta la bomba que se utiliza y el lugar de trabajo.

Las prdidas de carga total es igual a las prdidas de carga por frotamiento en las tuberas ms las prdidas de carga especiales en las singularidades.

Estas perdidas son directamente proporcionales al caudal al cuadrado:

De esta ecuacin resulta que la curva de carga del sistema es una parbola cuyo vrtice se encuentra en las ordenadas a las distancia H0 del origen, de modo que:

Curva de carga del sistema.

Q = 45 m3/ horaAgua a 22C

Presin en el depsito0.7 Kg./ cm2

Altura geomtrica17.7 m. sobre la bomba; 1.22 bajo bomba

Tubera impulsin122 m largo

4 codos normales

1 vlvula retencin

1 vlvula compuesta

Tubera aspiracin7.6 m. largo 4 (102 mm.)

2 codos

1 vlvula de pie

Ejemplo

Una bomba girada a 1750 r.p.m. tiene una curva altura-caudal como la representada en la figura:

La bomba impulsa una agua a travs de una tubera de 15 cm. de dimetro y 450 m. de largo con f = 0.025. La carga esttica es 10.0 m. y las perdidas menores pueden despreciarse. Calcular el caudal y la altura de carga de la bomba en estas condiciones.

Solucin

La prdida de carga en la tubera aumenta con el caudal. Puede dibujarse una curva que representa la altura de carga total de bombeo en funcin del caudal (curva o trazos).

Altura de carga de la bomba = carga esttica + perdidas en tuberas

Q = 0.010.020.0250.030m 3 / seg.

V = Q/A = 0.5661.1321.4151.698m / seg.

75 V2/2g. = 1.2264.9037.66211.033m

Altura total = 11.22614.90317.66221.033m

4.2.- Bomba mamut (air-lift) (7), (8)

Fueron muy utilizadas para bombear lquidos y mezclas de lquidos y slidos. Han sido desplazadas por las bombas centrfugas de pozo profundo, que son ms econmicas.

La mayora de las aplicaciones actuales de las bombas mamut son en casos especiales en que la principal consideracin no es la economa. Su gran sencillez y ausencia de parte mviles en contacto con el lquido son sus ventajas mas evidentes.

Las bombas mamut presentan un rendimiento que vara solo entre 20 a 45%, disminuyendo con caudal y alturas crecientes.

En minera, su uso principal se puede deber a la falta de otra energa que no sea el aire comprimido, o bien a la necesidad de mover mezclas de lquido y slido o por razones de seguridad y ventilacin que impidan el uso de energa elctrica. En este ltimo caso existira la posibilidad de usar bomba centrifuga con motor a aire comprimido.

Principio de trabajo:

Se introduce en el pozo una larga caera a la que se inyecta aire en la base que se mezcla con el lquido, formando una mezcla de gas y liquido que tiene un peso especifico menor que la del lquido que se desea elevar. Segn el principio de Arqumedes, esta mezcla se eleva porque el peso de la columna de liquido con aire dentro de la caera es menor que el de la columna de lquido solo que se halla en el pozo. De esto se deduce que la altura de elevacin depende del largo de la caera que se sumerge en el pozo. Se recomienda elegir la profundidad de sumersin lo ms pequea posible.

El cuociente de esta profundidad partido por la altura de elevacin vara entre 1/1 hasta 2/3.

Consumo de aire (8)

El caudal de agua Q (para un altura H) crece con el aumento del flujo de aire hasta llegar a un mximo para luego disminuir ligeramente aun cuando se entregue ms aire.

El consumo de aire crece con altura de elevacin, primero lentamente y luego con gran rapidez.

Para el clculo del consumo necesario de aire, se recomienda la siguiente frmula emprica:

Donde:

Va = Volumen necesario (m3) para elevar 1 m3 de agua.

h = Altura total de elevacin (m).

h = Profundidad de inmersin (m).

C = Constante segn la tabla que sigue:

h (m)C

3 - 20245

20 - 60233

60 - 160216

160 - 200185

200 - 230156

4.3.- Bomba de eyector o pulsador (5), (7)

Utilizan como medio impulsor del lquido un gas a presin. Habitualmente aire, tambin se usa vapor, pero en la actualidad esto es muy raro.

A pesar de su rendimiento relativamente bajo, (25% a 40%) son utilizadas para elevar pequeos flujos (3 a 10 mt./ hr.) a no ms de 45 mts. de altura. Se emplean en desage secundarios, en el interior de las minas, especialmente cundo la ventilacin es critica. Caso tpico son las minas de carbn en que el aire utilizado como fuerza motriz colabora a la ventilacin, y adems se evita el uso de motores elctricos que puede producir chispas, peligrosa si hay gases inflamables en la atmsfera.

Otra ventaja adicional es su pequea necesidad de control. Pueden ser ubicadas por esto en lugares de difcil acceso y/o de ambientes txicos o posiblemente txicos.

Su funcionamiento se basa en la presin ejercida por el aire comprimido sobre el lquido encerrado en un estanque, expulsndola hasta llegar a cierto nivel dentro del estanque. Por medio de un flotador se accionan vlvulas que dirigen el chorro de aire hacia el o interior de el estanque, presionando el lquido hacia fuera, o bien hacia el exterior de el estanque, creando un vaco interior que induce la aspiracin o entrada del liquido hacia el estanque.

Estas bombas no soportan una altura de succin superior a 2 3 mts. Tambin pueden trabajar sumergidos.

Instalacin de bombas y pozos colectores (5).

El principal problema en bombas centrifugas que aspiran el agua son las filtraciones en la caera de aspiracin. Es muy importante entonces instalar vlvulas de pie en ellas, con empaquetaduras bien ajustadas.

Este problema de filtracin se evita, si es posible usando bombas sumergidas, o instalando la bomba bajo el nivel del lquido a bombear.

En las bombas con largas caeras de presin existe el peligro de que la columna de liquido impulsado por la bomba vuelva hacia esta al interrumpirse la entrega contina por cualquier causa. Para evitar este golpe de ariete se debe instalar vlvulas de retroceso a la salida de la bomba.

Puede ser necesario vaciar la caera de presin, por lo cul conviene colocar un arranque a la caera prxima a la bomba.

La bomba se puede hacer girar a mano antes de conectar el motor.

La bomba centrfuga de debe hacer partir contra la vlvula de descarga cerrada, la cul se ir abriendo luego lentamente. Los pozos colectores tienen por fin mantener un volumen de agua que permita a la bomba trabajar con el mnimo de intermitencias posibles y al lquido sufrir una decantacin de slidos indeseables. De la importancia relativa de estos fines depender su tamao, tabiques desviadores de flujo y altura de la succin de la bomba al fondo.

Se debe cuidar que la vlvula de salida, vlvula de retencin y caeras, no descansen sobre la bomba.

Tuberas y accesorios (6), (1)

Las tuberas pueden ser de:

a) Fierro fundido.

Es el material de mejor calidad en cunto a resistencia a la correccin. Su duracin es de alrededor de 100 aos para grandes dimetros. No se fabrica en Chile.

b) Acero.

Las caeras de acero se pueden fabricar por centrifugacin (Mannesmann) o de planchas soldadas. Este ltimo sistema es el que se usa en Chile. El acero es poco resistente a la corrosin y por ello deben protegerse interiormente con bitumen o con mortero de cemento. Su duracin es de 25 aos con regular proteccin y hasta 50 aos o ms bien protegidos.

c) Cemento asbesto.

En Chile se fabrican bajo la marca Rocalit, desde 50 mm. hasta 400 mm. de dimetro.

Resisten presiones moderadas de 120 a 200 mts. de columna de agua.

Son resistentes a la corrosin y no se incrustan. Si el pH es inferior a 6 se reblandecen.

d) Plsticos.

Tienen grandes ventajas: pocas junturas, paredes lisas, no sufren corrosin, resistencia al aplastamiento y poco peso.

Las junturas pueden ser:

Rgidas

Semirgidas

Flexibles

Especiales

Las junturas rgidas son aquellas que no permitan desplazamiento longitudinal ni desalineacin de las caeras como las uniones de bridas (o flange soldado o con hilo al tubo) con hilo y soldadas.

Las junturas Semirgidas oponen cierta resistencia a los desplazamientos longitudinales y a las desalineaciones. La unin tpica de esta clase es la de enchufe cordn.

Las junturas flexibles permiten cierto juego sin perder su hermeticidad. Son formadas en general por un manguito con anillos de goma de distinta formas y disposiciones.

Las ms conocidas son las marcas Gibauld, Dresser, Simples, Supersimples, Vitaulic.

Vlvulas.

Pueden ser de 4 tipos:

De espejo: eje fijo, eje desplazable.

De mariposa.

De asiento

De macho

Las vlvulas de espejo consisten en una barrera opuesta al flujo que consiste en un disco o compuerta en forma de cua deslizante en ngulo recto a la direccin del flujo.

El orificio para el flujo vara rpidamente para pequeas variaciones de la posicin del volante, No se recomienda para un regulacin cuidadosa de el flujo.

La vlvula de mariposa se utiliza para controlar grandes flujos. Se basa en una compuerta formada por un disco oscilante que gira en torno a un eje diametral.

La vlvula de asiento se utiliza generalmente para pequeo caudales. Tiene un tabique horizontal central que separa en dos camaras a la vlvula y con un orificio que puede obturarse con una pieza cnica que sube y baja con el volante, esta pieza cnica puede ser muy aguzada, siendo entonces una vlvula de aguja. Dan una muy buena regulacin de flujo.

La vlvula de macho consiste en una pieza cnica interpuesta en el flujo, que tiene un orificio. Un giro en ngulo recto permite abrir o cerrar el paso al lquido. No sirven para regular. Las vlvulas mas usadas son las de espejo y mariposa.

Seleccin de Bombas.

Los factores que se deben considerar son:

1.- Cantidad de agua a ser bombeada.

2.- Altura total a elevar.

3.- Temperatura del agua.

4.- Acidez.

5.- Contenido de slidos.

6.- Caractersticas de la fuente de energa.

7.- Condiciones de servicio.

8.- Si es pozo, profundidad y dimetro interior.

En la seleccin de bombas, eficiencia no es medida tanto por valores numricos como por una operacin econmica, servicio mnimo, los costos de reparacin y larga vida. Un factor que comnmente tiene una importancia preponderante sobre otros es la convivencia de las standarizacin. Reduciendo la variedad de tipos empleados, se mejora la eficiencia reduciendo los inventarios de repuesto y simplificando la mantencin y operacin del equipo.

Bombeo de estanques colectores

1.- La ms usada es la bomba centrfuga horizontal. Sus ventajas en este caso son:

a) Las ms adecuadas para trabajar con agua con abrasivos sus bajas velocidades que dan baja velocidad al agua y el revestimiento de goma de la caja e impulsor son las principales razones para la superioridad de ellos.

b) La mantencin es mas simple ya que toda la bomba est sobre el agua.

c) Unidades equivalentes son menos caras, especialmente en tamao pequeos.

2.- Las ventajas de bomba centrfugas verticales de turbina en estanques colectores son:

a) No se requiere cebado, ya que el impulsor est sumergido. Esto es una ventaja especialmente en operaciones automticas.

b) Es un tipo muy flexible ya que permite conectarse a otras etapas para alcanzar mayor altura.

c) Se requiere un espacio mnimo para las fundaciones y se pueden incluso instalar sobre flotadores.

d) El motor y la descarga se puede instalar bien arriba del nivel de agua en prevencin de inundaciones si sube el nivel al haber fallas.

3.- La ventaja de las bombas sumergibles para estanques colectores son: conexiones simples significan una rpida instalacin con un mnimo de problemas para el operador.

[m.]

[m3./ seg.]

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