Línea piezométrica: Es la línea imaginaria que resultaría al unir los puntos hasta los que el líquido podría ascender si se insertasen tubitos piezométricos en distintos lugares a lo largo de la tubería o canal abierto. Es una medida de la presión hidrostática disponible en dichos puntos. La línea piezométrica por su propia definición no siempre es decreciente, pudiendo crecer en puntos en los que aumente la presión hidrostática.
Para el estudio de una línea piezométrica se llevan a cabo los cálculos hidráulicos que determinan la disposición y el dimensionamiento interno de los diferentes elementos y obras que componen una E.D.A.R.
El estudio hidráulico para obtener la línea piezométrica, se realiza sobre la base de formas específicas para cada accidente hidráulico, adoptando márgenes de seguridad que garanticen el buen funcionamiento.
El proceso de cálculo se debe basar en el análisis del comportamiento hidráulico de los distintos elementos que componen la planta depuradora, relacionándose unos con otros mediante la distintas láminas de agua a la entrada y salida de los mismos.
Todas las cotas de lámina de agua se expresan normalmente en metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.) y las pérdidas de carga, en metros de columna de agua (m.c.a.).
EJEMPLO DE CÁLCULO DE LÍNEA PIEZOMÉTRICA DE UNA E.D.A.R.
Datos de partida.
Cota fondo arroyo en el punto de vertido: 458,000
Caudales de entrada:
Caudal medio: 66,670 m3/h
Caudal máximo: 200 m3/h
Caudales del proceso:
- Pretratamiento:
Caudal máximo (Qmax-pret): 200 m3/h (bombeado)
- Reactor Biológico:
Caudal máximo total(Qmax-bio): 113,330 m3/h
Caudal de recirculación total(Qrec): 140,000 m3/h/ud.
Pozo de gruesos.
Datos de partida:
Cota rasante tubería de entrada: 466,600
Definición del pozo de gruesos:
Altura total útil del pozo de gruesos: 1,550 m
Cota solera pozo de gruesos: 465,050
Pérdida de carga estimada en salida 0,048
Cota lámina de agua a la salida del pozo de gruesos: 466,552
Tamizado de finos.
Datos de partida:
Caudal máximo de entrada (Qmax-pret): 200 m3/h (bombeado)
Tamices rotativos:
Nº de líneas principales: 1 uds.
Nº de líneas auxiliares: 1 uds.
Cota lámina de agua a la entrada del tamiz: 466,552
Desbaste de finos (tamices rotativos)
a. Dimensiones del tamiz
Longitud de tamiz: 1200 mm
Paso (E): 3 mm
b. Pérdida de carga
Pérdida de carga estimada en el tamiz: 0,800 m
Cota lámina de agua en salida de tamiz: 465,752
Desarenado - Desengrasado.
Datos de partida:
Caudal máximo de entrada (Qmax-pret): 200 m3/h
Canales de desarenado-desengrasado:
Nº de canales principales: 1 uds.
Nº de canales auxiliares: 0 uds.
Cota lámina de agua a la salida del tamizado: 465,752
Resguardo para adecuación: 0,600
Cota lámina de agua a la entrada desarenado: 465,152
Desarenado - desengrasado:
Pérdida de carga estimada en recinto 0,050
Cota lámina de agua a la salida del recinto: 465,102
Cálculo del vertedero de salida del Desarenado-desengrasado
a. Dimensionado del vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Q: Caudal en vertedero (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
Longitud vertedero (L): 2 m
Q = Qmax-pret: 200 m3/h
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
De la expresión descrita anteriormente, se obtiene la altura de la lámina de agua sobre el vertedero:
Altura de la lámina de agua sobre vertedero: 61,083 mm
Cota coronación vertedero: 465,041
Canal de salida del desarenado - desengrasado:
Resguardo para evitar sumergencia: 0,1 m
Cota lámina de agua en canal de salida del recinto: 464Arqueta de reparto a biológico y alivio de excesos.
Datos de partida:
Caudal máximo de entrada unitario(Qmax-Biol.): 113,330 m3/h
Caudal de recirculación unitario(Qrec): 70 m3/h
Canales de reparto:
Nº de repartos diseño: 1 uds.
Nº de reparto futuro: 1 uds.
Cota lámina de agua a la entrada: 464,941
Cálculo del vertedero de salida arqueta de reparto:
a. Dimensionado del vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Q: Caudal en vertedero (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
Longitud vertedero (L): 0,500 m
Q = Qmáx-bio: 113,330 m3/h
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
De la expresión descrita anteriormente, se obtiene la altura de la lámina de agua sobre el vertedero:
Altura de la lámina de agua sobre vertedero: 105,399 mm
Cota coronación vertedero: 464,836
Salida arqueta de reparto:
Resguardo para evitar sumergencia: 0,100 m
Cota lámina de agua en arqueta de salida: 464,736
Cálculo del vertedero de alivio de excesos:
a. Dimensionado del vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Q: Caudal en vertedero (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
Longitud vertedero (L): 2,300 m
Q = Qaliviado: 86,670 m3/h
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
De la expresión descrita anteriormente, se obtiene la altura de la lámina de agua sobre el vertedero:
Altura de la lámina de agua sobre vertedero: 31,867 mm
Cota coronación vertedero: 464,941
Salida vertedero alivio:
Resguardo para evitar sumergencía: 0,100 m
Cota lámina de agua en alivio excesos: 464,841
Conexión arqueta de reparto - reactor biológico.
Datos de partida:
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 200 mm
Caudal max. unitario (qmax): 113,330 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 1,002 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota inicial lámina de agua: 464,736
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 27 m
Rugosidad de la tubería: 0,001 mm (PVC)
Coeficiente de uso: 1,1
Pérdida de carga
Q(m³/h) Q(l/s) v(m/s) J(m/km) DHt*(m)
113,330 1,481 1,002 4,222 0,125
b. Accidentes.
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,500
Expansion brusca 1 0,500
Codos a 45º 0 0,190
Codos a 90º 2 0,330
Válvula de compuerta 0 0,300
Válvula de retención 0 2
Coeficiente total de accidentes: 1,660
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,085
c. Pérdida de carga total en la conducción.
Pérdida de carga en tramo recto: 0,125 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,085 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,210 m
Cota lámina de agua a la salida:
Cota lámina de agua a la salida: 464,525
Resguardo para adecuación al terreno: 0,173 m
Cota lámina de agua de entrada a reactor biológico: 464,352
Reactor biológico.
Datos de partida:
Nº de líneas: 1
Caudal máximo biológico unitario(Qmax-bio): 113,330 m3/h
Caudal de recirculación unitario (Qrec): 140 m3/h/línea
Cota lámina de agua en el reactor biológico: 464,352
Cálculo del vertedero de salida del reactor biológico:
a. Dimensionado del vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Q: Caudal en vertedero (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
Longitud vertedero (L): 6 m
Q =Qmax-bio + Qrec: 253,330 m3/h/línea
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
De la expresión descrita anteriormente, se obtiene la altura de la lámina de agua sobre el vertedero:
Altura de la lámina de agua sobre vertedero: 34,378 mm
Cota coronación vertedero: 464,318
Arqueta de salida del reactor biológico:
Resguardo para evitar sumergencia: 0,100 m
Cota lámina de agua en arqueta de salida: 464,218
Conexión reactor biológico - decantador secundario.
Datos de partida
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 300 mm
Caudal max. unitario (qmax): 253,330 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 0,996 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota inicial lámina de agua: 464,218
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 9 m
Rugosidad de la tubería: 0,045 mm (acero comercial)
Coeficiente de uso: 1,1
Pérdida de carga
Q(m³/h) Q(l/s) v (m/s) J(m/km) DHt* (m)
253,330 70,369 0,996 2,766 0,027
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,5
Expansion brusca 1 0,5
Codos a 45º 0 0,19
Codos a 90º 2 0,33
Válvula de compuerta 0 0,3
Válvula de retención 0 2
b. Accidentes. Coeficiente total de accidentes: 1,660
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,084
c. Pérdida de carga total en la conducción
Pérdida de carga en tramo recto: 0,027 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,084 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,111 m
Cota lámina de agua a la salida: 464,107
Decantador secundario.
Datos de partida:
Nº de unidades: 1
Caudal máx. unitario de entrada (Qmax-bio+ Qrec) 253,33 m3/h/ud.
Caudal unitario de salida (Qmax-bio) 113,330 m3/h/ud.
Cota inicial lámina de agua: 464,107
Cálculo de la pérdida de carga en la salida de agua de la torreta central:
a. Pérdida de carga.
La pérdida de carga en un orificio inundado, atravesado por un caudal Q viene dado por la expresión:
q: Caudal que atraviesa el orificio (m3/h/orificio)
K: constante (Valor normal= 0,62)
g: aceleración de la gravedad (m/s)
h: diferencia de cota de la lámina de agua, aguas abajo (m)
S: sección del hueco (m2)
b. Definición de huecos.
nº de huecos: 4
Altura (h): 0,5 m
Anchura (b): 0,2 m
Sección (S): 0,1 m2
Caudal unitario (q): 63,333 m3/h/hueco
c. Cálculo de la pérdida de carga.
Pérdida de carga en orificios 0,004
Cota lámina de agua en Decantador (Cd): 464,102
Cálculo del vertedero del decantador:
a. Dimensionado del vertedero.
Según Thompson, la altura de la lámina de agua en vertederos de dientes triangulares de 90º, viene dada por la siguiente expresión:
q: Caudal unitario por diente (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
nº de dientes: 408,407 uds.
Diámetro del vertedero: 13 m
Longitud vertedero (L): 40,841 m
Caudal unitario (q): 0 m3/s
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
De la expresión descrita anteriormente, se obtiene la altura de la lámina de agua sobre el vertedero:
Altura de lámina de agua sobre vertedero (h): 0,020 m
Cota coronación vertedero salida de decantación: 464,083
Canal de salida agua clarificada de decantación:
Resguardo para evitar sumergencias: 0,1 m
Cota lámina de agua en canal de salida del recinto: 463,983
Conexión decantador secundario- arqueta de agua tratada.
Conexión cloración con arqueta de agua tratada:
Datos de partida:
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 200 mm
Caudal max. unitario (qmax): 113,330 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 1,002 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota inicial lámina de agua: 463,983
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 5 m
Rugosidad de la tubería: 0,045 mm (Acero comercial)
Coeficiente de uso: 1,100
Pérdida de carga
Q (m³/h) Q (l/s) v (m/s) J (m/km) DHt* (m)
113,330 31,481 1,002 4,576 0,025
b. Accidentes.
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,5
Expansion brusca 1 0,5
Codos a 45º 0 0,190
Codos a 90º 0 0,330
Válvula de compuerta 0 0,300
Válvula de retención 0 2
Coeficiente total de accidentes: 1
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,051
c. Pérdida de carga total en la conducción.
Pérdida de carga en tramo recto: 0,025 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,051 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,076 m
Cota máxima lámina de agua en arqueta de agua tratada: 463,906
Resguardo para adecuación al terreno: 0,085 m
Cota lámina de agua en arqueta agua tratada: 463,821
Cálculo del vertedero de salida de arqueta de agua tratada:
a. Dimensionado del vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Q: Caudal en vertedero (m3/h)
h: Altura de la lámina agua, aguas arriba del vertedero (m)
b. Definición del vertedero.
Longitud vertedero (L): 1,600 m
Q = Qmax-bio: 113,330 m3/h
c. Altura lámina de agua sobre vertedero.
La altura de la lámina de agua en vertederos lineales, viene dada por la siguiente expresión:
Altura de la lámina de agua sobre vertedero: 48,537 mm
Cota coronación vertedero: 463,773
Resguardo por adecuación al terreno: 0,801 m
Cota lámina de agua a la salida: 462,972
3.10. Vertido del efluente.
Conexión arqueta de agua tratada- pozo P2:
Datos de partida:
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 200 mm
Caudal max. unitario (qmax): 113,330 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 1,002 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota inicial lámina de agua: 462,972
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 19 m
Rugosidad de la tubería: 0,001 mm (PVC)
Coeficiente de uso: 1,1
Pérdida de carga
Q(m³/h) Q(l/s) v(m/s) J(m/km) DHt*(m)
113,330 31,481 1,002 4,222 0,088
b. Accidentes.
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,5
Expansion brusca 1 0,5
Codos a 45º 0 0,190
Codos a 90º 0 0,330
Válvula de compuerta 0 0,3
Válvula de retención 0 2
Coeficiente total de accidentes: 1
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,051
c. Pérdida de carga total en la conducción.
Pérdida de carga en tramo recto: 0,088 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,051 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,139 m
Cota lámina de agua en pozo P2: 462,833
Conexión pozo P2- pozo P3:
Datos de partida:
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 200 mm
Caudal max. unitario (qmax): 113,330 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 1,002 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota inicial lámina de agua: 462,833
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 12 m
Rugosidad de la tubería: 0,001 mm (PVC)
Coeficiente de uso: 1,100
Pérdida de carga
Q(m³/h) Q(l/s) v(m/s) J(m/km) DHt*(m)
113,330 31,481 1,002 4,222 0,056
b. Accidentes.
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,500
Expansion brusca 1 0,500
Codos a 45º 0 0,190
Codos a 90º 0 0,330
Válvula de compuerta 0 0,3
Válvula de retención 0 2
Coeficiente total de accidentes: 1
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,051
c. Pérdida de carga total en la conducción.
Pérdida de carga en tramo recto: 0,056 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,051 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,107 m
Cota lámina de agua en pozo P3: 462,726
Pozo de salida hasta punto de vertido:
Datos de partida:
Nº de líneas principales: 1
Diámetro interior tubería: 300 mm
Caudal max. (Qmax-pret): 200 m3/h/ud.
Velocidad del fluido: 0,786 m/s
Viscosidad cinemática del agua: 0 m2/s
Cota lámina de agua en pozo P3: 462,726
Cálculo de la pérdida de carga en la tubería:
a. Tramo recto.
Longitud de la tubería: 10 m
Rugosidad de la tubería: 0,001 mm (PVC)
Coeficiente de uso: 1,100
Pérdida de carga
Q(m³/h) Q(l/s) v(m/s) J(m/km) DHt*(m)
200 55,556 0,786 1,676 0,018
b. Accidentes.
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,500
Expansion brusca 1 0,500
Codos a 45º 0 0,190
Codos a 90º 0 0,330
Válvula de compuerta 0 0,300
Válvula de retención 0 2
Coeficiente total de accidentes: 1
Pérdida de carga en accidentes (m): 0,031
c. Pérdida de carga total en la conducción.
Pérdida de carga en tramo recto: 0,018 m
Pérdida de carga en accidentes: 0,031 m
Pérdida de carga total en tubería: 0,050 m
Cota lámina de agua a la salida:
Resguardo para adecuación al terreno: 1,320 m
Cota lámina de agua en vertido: 461,356
3.11. Resumen de la piezométrica. línea de agua.
Pozo de gruesos:
Cota lámina de agua en pozo de gruesos: 466,600
Cota solera del pozo de gruesos: 465,050
Tamizado de finos:
Cota lámina de agua en entrada a tamiz: 466,552
Cota lámina de agua en salida de tamiz: 465,752
Desarenado - Desengrasado:
Cota lámina de agua en recinto desarenado: 465,152
Cota coronación del vertedero de salida: 465,041
Cota lámina de agua en canal de salida del recinto: 464,941
Arqueta de reparto a biológico y alivio de excesos.
Cota lámina de agua en arqueta salida a biológico: 464,736
Cota coronación del vertedero de salida a biológico: 464,836
Cota lámina de agua en alivio de excesos: 464,841
Reactor biológico.
Cota lámina de agua en reactor biológico: 464,352
Cota coronación vertedero de salida del biológico: 464,318
Cota lámina de agua en arqueta de salida:
Decantador secundario.
Cota lámina de agua en decantador: 464,102
Cota coronación vertedero de salida: 464,083
Cota lámina de agua en canal de salida: 463,983
Arqueta de agua tratada.
Cota lámina de agua en arqueta: 463,821
Cota coronación del vertedero de salida: 463,773
Cota lámina de agua a la salida: 462,972
Vertido del efluente.
Cota lámina de agua en pozo de salida: 462,726
Cota de vertido: 461,356
4. Ejemplo de cálculo de bombeo.
4.1. Definición del pozo de bombeo.
Caudal máximo de entrada (Qmax): 72 m3/h
Nº máximo de líneas en servicio: 1
Altura máxima útil del pozo de bombeo (Hútil): 2,5m
Altura mínima para sumergencia de bombas (Hmín): 0,5m
Altura total del pozo de bombeo: 3m
Cota máxima lámina de agua en pozo de bombeo (Cl,máx): 71,85
Cota máxima de vertido (Cvertido): 918
Cota solera pozo de bombeo (Cpozo): 868,85
n la figura 1 se muestran las distintas cotas en el pozo de bombeo: (FALTAFIGURA)
4.2. Cálculo de la altura manométrica del bombeo.
La altura manométrica del bombeo se obtiene mediante la suma de la altura geométrica y la pérdida de carga en la impulsión:
Hm=Hgeo+DHi
donde:
Hgeo: Altura geométrica
DHi: Pérdida de carga en la impulsión
a. Altura geométrica (Hgeo)
Cota máxima de vertido: 918 m
Altura geométrica mínima (Hgeo,min): 46,15 m
Altura geométrica máxima (Hgeo,max): 48,65 m
b. Pérdida de carga en la tubería de impulsión (DHi):
La pérdida de carga en una tubería viene dada por la siguiente expresión:
En donde el primer término representa las pérdidas de carga debidas a la rugosidad de la propia tubería, y el sumatorio las debidas a los diversos accidentes en la impulsión.
L: longitud de la tubería (km)
i: pérdida de carga en la tubería (m/km)
K: coeficiente de uso
Ki: coeficiente de pérdida de carga de la singularidad
v: velocidad del fluido (m/s)
g: aceleración de la gravedad (m/s2)
b.1 Datos de la impulsión
Caudal unitario a bombear: 72 m3/h
Diámetro interior tubería: 180 mm
Viscosidad cinemática del agua: 0,000001302 m2/s
b.1.1 Tramo recto
Longitud de la tubería: 715 m
Rugosidad de la tubería: 0,008 mm (PEAD)
Coeficiente de uso: 1,1
b.1.2 Accidentes
Accidente nº uds. Ki
Contracción brusca 1 0,5
Expansion brusca 1 0,5
Codos a 45º 9 0,19
Codos a 90º 8 0,33
Válvula de compuerta 1 0,3
Válvula de retención 1 2
Compuerta canal abierto 0 0,3
Coeficiente total de accidentes: 7,65
CÁLCULO CURVAS DEL SISTEMA1
Q Q v J Hm,min Hm,max
(m³/h) (l/s) (m/s) (m/km) (m) (m)
0 0 0 0 46,15 48,65
9 2,5 0,09824379 0,07815538 46,2152325 48,7152325
18 5 0,19648758 0,26405489 46,3727325 48,8727325
27 7,5 0,29473138 0,54162496 46,609858 49,109858
36 10 0,39297517 0,90414989 46,9213272 49,4213272
45 12,5 0,49121896 1,34747446 47,303872 49,803872
54 15 0,58946275 1,8686657 47,7551856 50,2551856
63 17,5 0,68770654 2,46550059 48,2735195 50,7735195
72 20 0,78595034 3,13621306 48,8574849 51,3574849
81 22,5 0,88419413 3,87935567 49,5059432 52,0059432
90 25 0,98243792 4,69371271 50,2179384 52,7179384
c. Curvas del sistema Máxima y Mínima
Las curvas del sistema se obtienen con los datos de caudales y las alturas manométricas (máximas y mínimas)
Hm,mín: Curva del sistema con la máxima lámina de agua en el pozo de bombeo, esto es, Hgeo, mín.
Hm,máx: Curva del sistema con la mínima lámina de agua en el pozo de bombeo, esto es, Hgeo, máx.
d. Curva de la bomba seleccionada
Se elige una bomba que sea capaz de suministrar el caudal máximo 72 m3/h a la altura manométrica máxima correspondiente calculada en el apartado c:51,36 m.
En la tabla siguiente se indican algunos puntos de la curva característica de la bomba seleccionada.
CURVA CARACTERÍSTICA
Bomba
Qu (l/s) Qu (m3/h) Hm (m)
12 43,2 50,3
18 64,8 49,2
20 72 48,8
22 79,2 48,5
24 86,4 48,1
26 93,6 47,7
e. Representación gráfica y cálculo de los puntos de trabajo extremos
Para determinar los puntos de trabajo extremos de funcionamiento de la bomba se representan gráficamente las curvas del sistema frente a la curva de la bomba seleccionada.
El punto intersección de las curvas Hbomba y Hmáx representa el punto de funcionamiento de la bomba cuando el pozo de bombeo alcanza su nivel más bajo (Hgeo,máx). De igual manera, el punto de intersección de las curvas Hbomba y Hmín representa el funcionamiento de la bomba en el nivel máximo de agua en el pozo (Hgeo,mín). Entre estos dos niveles se desplaza el punto de trabajo de la bomba.