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HIDROPACK

VIERNES 8 DE FEBRERO DE 2008

METODOLOGÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTOY EL DISEÑO DEL SISTEMA DEL EQUIPO DEBOMBEO PARA EDIFICIOS

Patricio Valdés Marínpvaldesmarin@hotmail.com

Deseando contribuir al establecimiento de una normativa para el correctodiseño y la adecuada aprobación de los proyectos de los sistemas deagua de edificios, se presenta a continuación una metodologíaorientadora que cubre todos los pasos que un proyectista sanitario debedar para la elaboración de una Memoria de Cálculo que garantice elsuministro de agua de dichos sistemas en los caudales y presionesapropiadas. En una vivienda el agua es tan importante como el techo, ytodo esfuerzo realizado para asegurar tanto su suministro y acumulacióncomo su distribución en las caudales y presiones apropiadas es de lamáxima importancia. Hacer claridad en esta crítica etapa del diseño de unedificio servirá para evitar numerosos problemas que se pueden generarpor deficiencias en el proyecto de agua, y también para obtener unamayor economía de los recursos. Se presenta a continuación los pasos,sus fundamentos y las posibilidades para realizar los cálculos de unproyecto sanitario.

1. CALCULO DE LA DOTACION

Lo primero que un proyectista debe tomar en cuenta es el volumen deagua que diariamente se consumirá en un edificio o instalación y verificarque exista una fuente de agua que asegure absolutamente el suministro.De otra manera, el edificio o instalación será inviable. Este volumenresulta ser el producto de la dotación individual, que es el consumo diariode agua de cada usuario, multiplicado por la cantidad de usuarios. Lasiguiente lista entrega distintos valores de la dotación diaria según el tipode usuario:

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METODOLOGÍA PARA ELDIMENSIONAMIENTO Y ELDISEÑO D...

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USUARIO: DOTACIONVivienda: 250 l/habitanteEscuela: 70 l/alumnoHospital: 1.500 l/camaPoliclínica: 100 l/m²Local comercial: 5 l/m²Oficina: 10 l/m²Hotel: 200 l/pasajeroRestaurante: 40 l/m²Sala de espectáculo: 10 l/butacaIndustria: 150 l/obreroRegimientos y cuarteles: 200 l/hombreJardines y prados: 10 l/m²

El valor estimado para cada tipo de dotación es el resultado deconsideraciones particulares. Por ejemplo, se estima que un habitante deun edificio consume 250 l/día. Esta cifra proviene del siguiente cálculo deconsumo promedio:

6 minutos de uso de ducha x 15 l/min = 90 litros5 operaciones de inodoro x 18 litros/operación = 90 litros2 minutos de uso de lavamanos x 10 l/min = 20 litros2 minutos de uso de lavaplatos x 10 l/min = 20 litros2 minutos de uso de lavandería x 15 l/min = 30 litrosTOTAL = 250 litros

Naturalmente, esta mínima dotación por habitante aumenta a 500 l/min, omás, si existen consumos adicionales, como riego de jardín, piscina,lavado de automóviles, etc.

2. CALCULO DEL VOLUMEN DE ACUMULACION

Todo edificio requiere de un tanque o depósito de agua para acumular oalmacenar la dotación total diaria. El volumen del tanque dependeprincipalmente de su forma de reposición. Así, este volumen sería igual ala dotación total si la reposición fuera hecha de una sola vez cada día. Encaso de edificios habitacionales, cuando es abastecido por una redpública con flujo permanente de modo que pueda ser llenado en 6 horas,el volumen del tanque de acumulación llega a ser de 2/3 de la dotación.Si tiene además el apoyo de bombas de pozo profundo, su volumenpuede corresponder a la mitad de la dotación.

Por otra parte, si el agua se consumiera en forma regular en el transcursodel día, como en el caso de un bebedero para aves, bastaría un pequeñotanque de acumulación que permitiera un volumen de regulación mínimoentre el agua que sale y la que entra. No obstante, si se considera, comoen un edificio habitacional, que la mitad de la dotación puede serconsumida después del amanecer, en especial en la hora de consumopico, aproximadamente entre las 7:00 y 8:00 AM, entonces el tamañomínimo que puede adquirir el tanque de acumulación, aún cuando elcaudal de abastecimiento se iguale al “caudal máximo probable” (QMP),es de 1/5 de la dotación. La razón para ello es que mientras laacumulación y la reposición son materia de volúmenes, sin muchaconsideración por el tiempo, el consumo variable es un asunto decaudales, en que el tiempo juega un primer rol. En un consumo pico unvolumen de acumulación relativamente pequeño podría agotarse enmateria de minutos sin que pudiera ser repuesto para satisfacer la fuerte

 

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demanda.

El abastecimiento del tanque de acumulación debe ser absolutamenteseguro, pues un edificio no puede quedar sin agua. Si fuera alimentadoexclusivamente por bombas de pozo profundo, necesitaría al menos dosbombas de este tipo funcionando en paralelo, alternándoseperiódicamente para bombear del mismo acuífero, con el objeto de dis-poner siempre de una de ellas como reserva en caso de que la otrafallara.La siguiente tabla nos entrega el volumen diario de alimentación desdeuna red pública con flujo permanente según el diámetro del medidor:

DIAMETRO MEDIDOR: VOLUMEN ALIMENTACIONmm: m3/día25: 732: 1040: 2050: 10075: 275100: 450

3. CALCULO DEL CAUDAL INSTANTANEO

Todo artefacto sanitario tiene un caudal máximo posible y es cuando se leabre por completo la llave. Este caudal se denomina “caudal instantáneo”y se abrevia QI. En la tabla que sigue aparecen los QI de artefactossanitarios según mediciones efectuadas bajo una presión de 20 mca.Estos valores son más precisos que el de las conocidas tablas deunidades de equivalencia hidráulica (U.E.H.) que se usan más bien parael cálculo de la red de alcantarillado.

ARTEFACTO SANITARIO - ABREVIACION - CONSUMOLavamanos - Lm - 10 l/min*Ducha o tina - Dc - 15 l/minInodoro - In - 15 l/minLavaplatos - Lp - 10 l/min*Lavandería - Ld - 15 l/minLlave de jardín con manguera - Lj - 10 l/min

Nota: * Normalmente estas llaves no se abren completamente para evitar salpicaduras.

En una red de distribución el valor del QI de cada tramo existente entredos nudos es igual a la suma de los QI individuales aguas abajo de éste.Así, el QI del tramo No 1 es la sumatoria de todos los QI de todos losartefactos sanitarios abastecidos por la red, mientras el QI del últimotramo corresponde al consumo del artefacto específico en cuestión.

4. CALCULO DEL CAUDAL MAXIMO PROBABLE

Nunca ha sido fácil poder predecir con exactitud el caudal máximoprobable (QMP) que una instalación requerirá durante los picos deconsumos. Un método rápido es determinar el QMP total mediantecaudales que se asignan a distintos tipos de superficies según su uso,pero no sirve para calcular el QMP particular de cada tramo de la tuberíade la red de distribución ni menos para determinar sus distintosdiámetros. Se empla también tablas de equivalencias entre U.E.H. y

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caudales. Un método para calcular el QMP de cada tramo de tubería dela red, que además de más objetivo y seguro, posibilita dimensionar lared es el que ha sido experimentado a través de decenas de miles deinstalaciones ejecutadas por décadas. Consiste en la correlaciónlogarítmica entre el QI y el QMP.

Así, pues, el caudal máximo probable (QMP) equivale a un valor que seobtiene mediante una ecuación logarítmica de un determinado QI. Esrazonable pensar que en el caso probable más desfavorable, no todas lasllaves de los artefactos estarán abiertas, sino que en una proporcióndeterminada. También es razonable suponer que mientras menor sea elnúmero de artefacto, mayor es la probabilidad que en el caso másdesfavorable esté abierta un número proporcionalmente mayor, siendo elcaso extremo la existencia de un solo artefacto que alimentar. En dichocaso el QMP se iguala al QI.

La equivalencia entre QI y QMP es dada por la ecuación: ln QMP1 = (lnQI + 0,80306)/1,4512. La fórmula ln QMP2 = (ln QI + 1,12)/1,6 es útil paraedificios de oficinas y también puede ser apropiada para los casos dedepartamentos con una relación artefactos/habitante mucho mayor.Hemos visto anteriormente cómo el cálculo de la dotación es útil paradeterminar el volumen de acumulación del tanque de acumulación. Lautilidad del cálculo del QMP es manifiesta en dos casos: para calcular eldiámetro de las tuberías para los distintos tramos de la red de distribucióny para calcular el sistema de bombeo conectado directamente a la red dedistribución, aspectos que analizaremos en seguida.

5. CALCULO DE LA RED DE DISTRIBUCION

La red de distribución de agua a los departamentos u oficinas de unedificio debe ser sometida al cálculo para llegar a definir los diámetros desus tuberías. Estos deben cumplir con dos condiciones: la velocidad delagua no debe superar los 2 m/s para evitar la turbulencia y la cavitaciónque ésta origina, y la pérdida de carga total (entre la fuente dealimentación, que puede ser el equipo de bombeo o el tanque elevado, yel consumo más lejano) no debe sobrepasar los 5 mca para evitarfluctuaciones de presión excesivas en los artefactos.El diseño de la red se realiza en base al cálculo de la pérdida de cargaque sufre el QMP que se desplaza por un tramo de tubería entre dosnudos. Los siguientes ítems de encabezamiento para una tabla son útilespara establecer los diámetros en función del largo de la tubería y delcaudal que conduce.

TRAMOCAUDALES- QI, l/min- QMP, l/minDIAM, mmLONGITUDES, L- REAL, m- EQUIV., mVELOCIDAD, m/sPERDIDAS DE CARGA, J- J, mca/ml- J•L, mca- ACUM., mcaCOTA, mPRESIONES

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- NUDO, mca- FINAL, mca

Dicha Tabla puede formularse en una planilla de cálculo de computadora,para lo cual se presentan las siguientes indicaciones:TRAMO es el segmento de tubería existente entre dos nudos, los que sedistinguen o por la existencia de cambio de diámetro o porque de ellos sederivan conexiones.QI es el caudal instantáneo de todos los artefactos que sirve. (1 gal/min =3.785 l/min).QMP es el caudal máximo probable que es conducido por el tramo detubería. Utilice la siguiente fórmula:

EXP((LN(QI)+0.80306)/1.4511)

NOTA: En EXCEL la fórmula es precedida por “=”.

DIAM es el diámetro interior de la tubería. (1” = 25,4 mm)LONGITUD REAL es el largo de la tubería de un tramo.LONGITUD EQUIVALENTE es la longitud real multiplicada por un factor,normalmente de un 30%, para compensar pérdidas de carga debidas aválvulas y piezas (fittings).VEL es la velocidad del agua en un tramo, la que no debe sobrepasar los2 m/s. Utilice la siguiente fórmula:

(QMP/60000)/(PI()*(DIAM/1000) *(DIAM/1000)/4)

PERDIDA DE CARGA es la pérdida de presión que sufre el agua en suconducción y está en función del caudal, del diámetro, de la viscosidaddel, de la rugosidad de las paredes de la tubería y de la longitud de latubería. Emplee la ecuación de HAZEN&WILLIAMS para la pérdida decarga. Para efectos de confeccionar una planilla de cálculo, se presentala siguiente fórmula, en metro columna de agua por metro lineal, enfunción del QMP, en litros/minutos, del coeficiente de rugosidad, C, cuyovalor para PVC, PE o PP es de 150, y para Fe galvanizado es de 120, yde diámetros de tuberías en milímetros:

10.665*(1.852*LN(QMP/60000))/EXP(1.852*LN(C))--------------------------------------------------------EXP(4.869*LN(DIAM/1000))

PERDIDA DE CARGA DEL TRAMO es la pérdida en un metro de longitudpor la longitud del tramo.PERDIDA DE CARGA ACUMULADA es la pérdida que se va adicionandopor cada tramo. La pérdida acumulada total no debe sobrepasar los 5 m.COTA es la altura con respecto a un nivel determinado.PRESION EN EL NUDO es la columna de agua, en m, en dicho punto.PRESION FINAL es la altura mínima a que debe elevar la bomba.

Un artefacto funciona bien cuando se lo somete a una presión que puedefluctuar entre 5 y 35 mca, que son las presiones límites de diseño. En unedificio la altura ejerce una mayor presión sobre los artefactos ubicados aun menor nivel. De ahí que si la diferencia de altura entre cada piso es de2,5 m, una misma red de agua no debe abarcar más de 10 pisos oplantas. Un edificio de más de 10 pisos y menos de 20 debe tener dosredes de distribución, una de baja presión y otra alta presión, separadasentre ellas por dos sistemas de bombeo distintos o mediante una válvulareductora de presión.

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6. CALCULO DE LA PRESION

La presión mínima de bombeo o presión de conexión (Pc) debe ser igualo mayor que la diferencia de cotas entre el eje de la aspiración (o el nivelmás deprimido que alcanza el espejo de agua del tanque deacumulación) y el nivel del artefacto más alto, más la pérdida de cargatotal entre la bomba y el artefacto más alto, más una presión útil mínimade 5 metros.En el caso de un sistema con tanque elevado, la presión mínima debombeo debe ser la suma de la diferencia de cotas entre el eje deaspiración y el borde del tanque, y la pérdida de carga de la matriz dealimentación a dicho tanque. Por su parte, el tanque elevado debe estar auna cota por sobre el artefacto más alto (usualmente la boca de la ducha)mayor o igual que 5 metros + la pérdida de carga entre el fondo de dichotanque y el referido artefacto.

7. CALCULO DE LA BOMBA

Una bomba puede alimentar un tanque de acumulación elevado quealimenta a su vez, por gravedad, la red de distribución, o puede estarconectada directamente a la red de distribución. Analizaremos el primercaso:

a) BOMBA ALIMENTADORA DE UN TANQUE ELEVADO

Como se dijo anteriormente, un tanque elevado forma parte del sistemade volúmenes y no de caudales (de trabajo y no de potencia). Por tanto,no puede ser menor de 1/5 de la dotación total. Sin embargo, el caudalque le debe suministrar la bomba no debe ser inferior a 2/3 del QMP. Labomba es comandada por un interruptor de nivel ubicado en el tanqueelevado, de modo que a un nivel bajo ella se conecta y a un nivel alto, sedesconecta. No es conveniente emplear las dos bombas de pozoprofundo para alimentar directamente el tanque elevado. Estas tienen unpobre rendimiento en comparación a las bombas centrífugas corrientes,pues el diámetro de sus rodetes es necesariamente pequeño; además,en los consumos picos, se les debe demandar un mayor caudal que sisólo alimentaran un tanque de acumulación de mayor volumen. Deninguna manera se puede permitir que sólo una bomba de pozo profundoalimente por sí misma el tanque elevado, pues la instalación queda sinreserva alguna, pudiendo quedar sin agua por cualquier falla de la únicabomba.

b) BOMBA CONECTADA A LA RED DE DISTRIBUCION

La bomba que alimenta la red de distribución a partir del agua del tanquede acumulación debe estar dimensionada para suministrar un caudaligual o mayor que el QMP total. Si una bomba sola no es capaz dehacerlo, deberán instalarse dos o más de ellas en paralelo hasta que lacombinación de sus caudales sea igual o mayor que el QMP total. Amedida que el consumo va aumentando, las bombas van entrando enfuncionamiento de modo sucesivo. A la inversa, a medida que éste vadisminuyendo, ellas van parando. Manteniendo los mismos diferenciales,los rangos de los presostatos que las comandan están regulados enforma escalonada. La figura que sigue ilustra la curva típica derendimiento de una bomba centrífuga. La curva de segmentos muestra elcomportamiento de dos bombas en paralelo funcionandosimultáneamente.

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Cuando el consumo fluctúa entre Qd y Qc, la presión varíacorrelativamente entre Pd y Pc, no llegando la bomba a desconectarse.Bajando el consumo a Qc, la bomba se detiene, pues la presión delsistema sobrepasa Pd. Con un consumo entre 0 y Qc la bomba funcionaen forma intermitente. Si no se instalara un tanque hidroneumático, sufuncionamiento tendría una intermitencia (o un tiempo muy pequeño entredos partidas sucesivas) insoportable para el sistema y sus elementos.Solo una capacidad para almacenar un cierto volumen de agua,denominado volumen a presión (Vp), entre Pc y Pd permite que lafrecuencia alcance valores aceptables, que es lo que se analiza en el si-guiente número.

8. CALCULO DEL TANQUE HIDRONEUMATICO

Un tanque hidroneumático tiene la capacidad para almacenar undeterminado volumen de agua entre dos valores de presión (entre Pc yPd y también entre Pc2 y Pd2) gracias a la compresibilidad del aire quecontiene estanco. Este volumen, denominado volumen a presión (Vp),permite obtener un ciclo entre partidas sucesivas de la bomba cuando elconsumo es menor que Qd y también menor que Qd2. De hecho, lamagnitud del Vp determina el ciclo entre partidas sucesivas. Dicho cicloestá en función de la potencia del motor de la bomba. En consecuencia,para calcular un tanque hidroneumático se debe comenzar por calcular suVp, según la siguiente ecuación:

Vp = Qm t / 4 (lts)

donde:

Qm = (Qc + Qd) / 2 (caudal de bombeo promedio) (lts)

Si se desconoce las características de la bomba, Qm = ¾ QMP

t = (HP / 5) + 1 (tiempo, en segundos, del ciclo más desfavorable)

siendo:

HP = Qc Pc / 3000 (caballos de fuerza)

La cifra 3000 del denominador incluye una eficiencia de la bomba de0,67, lo que es normal; Qc está en l/min y Pc en mca.

Por su parte, el volumen del tanque hidroneumático, Vt, (con membranaseparadora de aire/agua y con aire preinyectado a Pc) se determinamediante la siguiente fórmula:

Vt = Vp (Pd + 10) / (Pd – Pc) (lts)

En caso de instalar el tanque hidroneumático cercano al consumo másalto, su Pc será de 10 mca (5 m de presión útil sobre el consumo másalto, más alrededor de 5 m por pérdida de carga). El presostato, montadoinmediato al tanque hidroneumático con el objeto de no verse sometido ainfluencias aleatorias de presión (golpes de ariete), estará regulado Pc =10 m; Pd = 20 m.

9. CONFIABILIDAD DE UN SISTEMA DE AGUA

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Publicado por Patricio Valdés Marín en 07:07

Para que un sistema de agua tenga el alto grado de confiabilidad quedemanda la distribución de agua de un edificio, el proyectista deberáhacer exigibles en su proyecto al menos las siguientes medidas:a) Que una de las unidades completas (bomba, tablero eléctrico y válvulade retención) del equipo de bombeo, instalada y funcionando, sirva dereserva.b) Que todo los sistema de bombeo tenga un interruptor por niveldeprimido en el tanque alimentador (o pozo profundo) que lo desconectepor falla en la alimentación.c) Que los tableros eléctricos para motores sobre 6 HP sean de partidaestrella-triángulo.d) Que todos los elementos puedan ser removibles mediante válvulas decorte y uniones patentes o bridas para su servicio y mantenimiento sinque el sistema sufra menoscabo en su funcionamiento.

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