INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

“METODOLOGÍA Y CRITERIOS DE INGENIERÍA PARA LA SELECCIÓN E INSTALACIÓN DE SISTEMAS

HIDRONEUMÁTICOS DE APLICACIÓN RESIDENCIAL”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

P R E SE N TA :

C. AARÓN SEBASTIAN GALVÁN LUIS

A S E S OR :

M. en C. JUSTINO GONZÁLEZ LÓPEZ

México. D .F. Junio de 2011

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Agradecimientos

Primeramente a Dios por darme el regalo de la vida y permitirme llegar a este momento. Al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior Mecánica y Eléctrica, Unidad Azcapotzalco, por enseñarme en sus aulas los valores que me enseñaron que la persistencia es uno de los valores más importantes en esta vida para ir siempre hacia adelante. A mi madre Raquel Luis Ruiz por su amor, ternura y enseñarme a vivir en la verdad gracias por cuidarme desde el cielo. A mi padre Luciano Galván Santos por todo el apoyo y comprensión brindado para la realización de este trabajo y a lo largo de mi carrera eternamente gracias. A mis hermanos Beatriz, Moisés, Damaris y Raquel que me soportaron, apoyaron, por sus enseñanzas. A María Teresa Fuentes Romero, por tu gran apoyo incondicional, por tu impulso, gracias por estar ahí cada momento, por toda tu paciencia y amor que me impulsan a concretar este trabajo. A mis suegros por su apoyo, sus atenciones y por tomarse la molestia de Orientarnos. A los Ingenieros Carlos y Joaquín, quienes me apoyaron en la realización de este trabajo, por su paciencia y amistad. Al. M. en C. Justino González López por su apoyo y ayuda en la realización de esta Tesis. A todos aquellos que se tomaron un tiempo en revisar y mejorar esta Tesis. A las empresas que me han permitido formar parte de sus filas y enseñarme tanto.

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Índice

Página

Lista de Figuras 8

Lista de Tablas 10

Introducción 12

Justificación 14

Objetivos 16

Capítulo 1 Antecedentes y conceptos básicos de ingeniería para sistemas hidroneumáticos.

1.1 Ley de la conservación de la materia en el flujo de fluidos. 17

1.2 Ecuación de continuidad para flujo incompresible, de viscosidad constante y flujo permanente.

18

1.3 Ley de la conservación de la energía para el flujo de fluidos incompresibles.

19

1.4 Ecuación de la conservación de la energía para flujo interno e ideal. 21

1.5 Ecuación general de la energía para flujo interno. 22

1.6 Estructura de flujo a través del número característico de Reynolds. 23

1.7 Factores fricción por flujo interno por Moody y Swammy-Jane. 24

1.8 Rugosidad. 25

1.9 Ecuación constitutiva de Darcy-Weisbach para caída de carga primaria y secundaria en flujo interno.

26

1.10 Ecuación constitutiva de Hazen-Williams. 27

1.11 Perdidas por Longitud Equivalente en accesorios. 28

1.12 Materiales hidráulicos. 33

1.13 Códigos y estándares para proyectos de instalaciones hidráulicas sanitarias.

33

1.13.1 Reglamento de Construcciones del D.F. 34

1.13.2 Obra Civil. 36

1.14 Notas sobre el uso de nomogramas, diagramas y tablas. 37

1.15 Descripción del Método de Hunter. 39

1.16 Procedimiento de selección de bomba (General). 43

1.17 Descripción de las curvas características de bombas. 44

1.18 Selección de bombas para sistemas hidroneumáticos. 47

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1.19 Componentes del sistema hidroneumático residencial. 48

1.19.1 Funcionamiento del sistema hidroneumático. 48

1.20 Historia de los sistemas hidroneumáticos 50

1.20.1 Mantenimiento a equipos hidroneumáticos. 55

1.20.2 Marcas de sistemas hidroneumáticos disponibles en México. 56

1.21 Criterios de Instalación de sistemas hidráulicos con tanque hidroneumático.

57

1.22 Recomendaciones de instalaciones de equipos hidroneumáticos. 66

Capítulo 2 Descripción de los procedimientos del cálculo y selección de equipos hidroneumáticos utilizados por dos empresas dedicadas a estos servicios de sistemas hidroneumáticos.

2.1 Procedimiento general de cálculo de sistemas hidroneumáticos. 69

2.2 Procedimiento de cálculo y selección de equipo hidroneumático con tanque de diafragma utilizado en Empresa 1.

71

2.2.1 Cálculo del gasto requerido por el sistema. 71

2.2.2 Cálculo de la carga dinámica total. 71

2.2.3 Selección de la bomba. 75

2.2.4 Determinación del número de bombas en paralelo. 76

2.2.5 Cálculo de la capacidad del tanque hidroneumático. 77

2.2.6 Procedimiento de cálculo y selección de equipo hidroneumático con tanque de membrana utilizada en Empresa 1.

78

2.2.7

Procedimiento de cálculo rápido y preciso de sistemas hidroneumáticos con tanque de membrana, desarrollado por la Empresa 1.

81

2.3 Procedimiento de cálculo de sistemas hidroneumáticos utilizada en la Empresa 2.

82

2.3.2 Cálculo del gasto del inmueble. 84

2.3.3 Cálculo del sistema de bombeo. 84

2.3.4 Selección del tanque hidroneumático de membrana empresa 2. 85

2.3.5 El volumen total del tanque hidroneumático. 86

Capítulo 3 Caso práctico del cálculo y selección de equipo hidroneumático bajo los procedimientos de dos empresas dedicadas a estos servicios.

3.1 Descripción del proyecto original. 89

3.2 Aplicación del procedimiento de la Empresa 1 para el cálculo de tanque con diafragma.

90

3.3 Cálculo de carga dinámica total empresa 1. 91

3.4 Cálculo del volumen total del tanque hidroneumático de diafragma. 94

3.5 Procedimiento de la empresa 1 para el cálculo del tanque hidroneumático con membrana.

96

3.6 Aplicación procedimiento de cálculo empresa 2 tanques de membrana. 99

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Capítulo 4 Conclusiones y observaciones de la comparativa de los dos procedimientos tanto para tanques de membrana como para tanques de diafragma.

4.1 Resultados. 108

4.2 Observaciones sobre los cálculos, tablas y factores de cálculo. 110

4.3 Observaciones sobre las instalaciones de México. 111

4.4 Conclusiones. 111

4.4.1 Impacto ecológico, económico y ético a partir del dimensionamiento del sistema hidroneumático

113

Referencias.

115

Anexos. 117

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________________________________

Lista de Figuras No. Descripción Página

1 Parte de un sistema de distribución de fluido. 17 2 Elemento de fluido en un conducto. 19 3 Elementos de fluido utilizados en la ecuación de Bernoulli. 20 4 Sistema de flujo de fluido que ilustra la ecuación general de la energía. 21 5 Rugosidad de un material. 25 6 Detalle del anclaje de las bombas. 37 7 Nomograma de Hazen-Williams, herramienta muy utilizada en la ingeniería. 38 8 Curva de operación de una bomba Marca. Pedrollo Se puede muestra la Carga

o altura manométrica así como la eficiencia de la bomba a diferentes alturas, el NPSH y la potencia absorbida de la bomba.

45

9 Curvas de operación de bombas centrifugas Marca Barnes, se observan las curvas de eficiencia en %, la potencia absorbida por la bomba BHP, el NPSH y la carga dinámica, todo integrado en una sola gráfica.

46

10 Carta de selección de una bomba centrifuga, el proveedor, en este caso AURORA PICSA, proporciona en esta gráfica el comportamiento de las diferentes tipos de bombas que tiene en cierto rango de operación así como de diámetro de impulsor.

46

11 Curva de comportamiento de una bomba de un sistema hidroneumático. 47 12 Grupo de bombeo con hidroneumático. 50 13 Esquema del sistema APCO. 51 14 Esquema de hidroneumatico con compresor. 52 15 Esquema de sistema hidroneumático con tanque de diafragma. 53 16 Esquema de sistema hidroneumático con tanque de membrana. 55 17 Equipo hidroneumático techado de manera adecuada. 57 18 Facilidad de maniobra que ofrece este cuarto de bombas es adecuada en cuanto

al espacio para poder retirar la bomba. 58

19 Detalle de la nivelación de la línea de succión y la línea de la descarga 58 20 Tanque hidroneumático no debe presentar inclinaciones ya sea que el tanque

sea vertical u horizontal. 59

21 Tipos de tanque hidroneumático a) membrana intercambiable, b) de diafragma. 59 22 Efectos de las bolsas de aire en la tubería de succión. 61 23 Instalación correcta de la línea de succión. 62 24 Instalación incorrecta de la línea de succión, la cual provoca las bolsas de aire

en la línea de succión. 62

25 Tipos de válvula de pie o pichancha, a) pichancha con rejilla metálica, actúa por fuerza del agua para cerrar b) pichancha con rejilla plastificada, actúa por medio de resorte para cerrar.

63

26 Tipos de válvula de retorno: a) check o válvula de retorno a con resorte, roscable, absorbe el ruido y el golpeteo causado en el arranque y paro del equipo hidroneumático b) check o válvula de retorno similar a la del inciso a, esta es encontrada en las industrias, también es roscable, c) check o válvula de retorno de columpio, roscables pero son muy ruidosas con el golpeteo del equipo hidroneumático.

63

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9

27 Tipos juntas de expansión. 63 28 Instalación correcta de las juntas de expansión y la absorción de la vibración. 64 29 Elementos de protección eléctrica a) gabinete para fusibles, b) termo magnético,

c) contactor, d) relevador de sobre carga. 64

30 Tipos de interruptores de presión del mercado a) cerrados y b) de mirilla. 65 31 Interruptor eléctrico llamado peras de nivel. 66

32 Muestra un arrancador y un tablero de control armado. 66

33 Las Figuras a, b y c muestran los casos de succión y descarga de la bomba a el caso de la elevación estática, b y c son de la carga estática y sus dos posibles variables.

73

34 Bombas en paralelo. 76 35 Curva de funcionamiento de la bomba CP650M de la marca Pedrollo se indican

los puntos de arranque y paro. 95

36 Curva de selección de bombas Pedrollo. 99 37 Curva de operación bomba Marca Picsa. 106 38 Tabla de selección de tanques Marca Myers. 107 ESQUEMA 1 Procedimiento general en el cálculo y selección de sistemas hidroneumáticos en

las 2 empresas 70

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Lista de Tablas

No. Descripción Página 1 Rugosidades y materiales. 26 2 Coeficiente de Hazen – Williams. 28 3 Se muestran varias formas de la fórmula de Hazen- Williams que facilitan tres

cálculos. 28

4 Longitudes equivalentes a pérdidas locales (expresadas en metros de tubería rectilínea).

31

5 Resistencia en válvulas y junturas expresada como longitud equivalente en diámetros de conducto.

32

6 Rangos aceptados por norma de velocidades de succión y descarga. 34 7 Valores de Unidad Muebles a partir de los muebles sanitarios (manual de diseño

hidráulico IMSS). 41

8 Gastos en función de unidades-mueble. (IMSS). 42 9 Factores para cálculo de las perdidas . 74

10 Perdidas por fricción por cada 100 m de tubería galvanizada fórmula de Hazen Williams.

74

11 Gasto estimado en residencias. 79 12 Factor a partir del HP de la bomba. 79 13 Capacidad de tanque Pedrollo. 80 14 Factor para dimensionar tanque Pedrollo. 82 15 Factor de multiplicación K correspondiente a las diferentes potencias de la

bomba para hallar el volumen útil. 86

16 Tabla de identificación de la capacidad de tanques precargados conociendo los datos de Pa, Pp, Pc y Vu.

87

17 Tabulación resumen de obtención de datos y resultados 88 18 Número de muebles sanitarios instalados en el inmueble. 90 19 Tabla de unidades muebles. 90 20 Obtención del dato unidad mueble y el total de estos. 90 21 Datos obtenidos de Tablas del IMSS y convertido a lps, lpm, y gpm. 91 22 Datos de altura del inmueble. 91 23 Datos utilizados para determinar el factor de fricción. 92 24 Obtención del factor de fricción, con los parámetros de diámetro y caudal. 92 25 Obtención de factor para dimensionar tanque de membrana. 98 26 Tabulación de muebles sanitarios del inmueble, así como su valor de unidades

mueble a partir de las Tablas de IMSS. 99

27 Longitud de tubería planta baja. 101 28 Longitud de tubería planta alta. 101 29 Longitudes equivalentes de los accesorios. 101 30 Tabulación de los datos para altura total de bombeo. 102

31 De capítulo 2 donde indica el factor de multiplicación K correspondiente a las

diferentes potencias de la bomba para hallar el volumen útil.

103

32 Tabla de capítulo 2 presiones de arranque, paro, precarga y volumen útil del tanque hidroneumático.

105

33 Caudales para ambos procedimientos. 108

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11

34 Cálculo de la carga dinámica total (empresa 1diafragma y 1membrana) o altura total del bombeo (empresa 2).

109

35 Presiones de arranque y paro. 109 36 Selección de presostato. 109 37 Selección de tanque precargado 109 38 Selección de bomba centrifuga. 110 39 Comparación dimensionamiento adecuado. 112 40 Comparación dimensionamiento inadecuado. 112

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INTRODUCCIÓN

Actualmente los sistemas de suministro de agua en residencias e industrias se

han ido desarrollando a través de nuevas tecnologías y alternativas de servicio. En el

suministro de presión en la red existen dos formas, la primera por presión variable y

segundo por sistemas hidroneumáticos.

Desde hace algunos años los equipos hidroneumáticos han tenido cambios en su

constitución, los tanques de grandes dimensiones acompañados siempre de un

pequeño compresor actualmente han sido reemplazados por tanques precargados que

ayudan en el mejor aprovechamiento del espacio en los cuartos de máquinas ya sea en

la industria o en aplicaciones residenciales.

Los principios de ingeniería son la columna vertebral del cálculo y selección de

equipos hidroneumáticos. Es necesario tener el conocimiento de cómo se comporta el

agua a diferentes presiones, sus propiedades, como es que se analiza el flujo en

tubería y las condiciones que hacen que pierda energía en el trayecto de la tubería.

Es de suma importancia el entender y saber manejar los conceptos de Mecánica

de Fluidos, así como interpretar los resultados, las gráficas, curvas y tablas.

Conceptos como la selección de bombas ya que éste es parte fundamental del cálculo y

selección de sistemas hidroneumáticos pues las bombas son la base del sistema.

Además de saber cómo se comportan los sistemas hidroneumáticos con tanques

precargados se debe tener conocimiento de que tipos y marcas de tanques existen en

el mercado así como su selección ya que operan de manera distinta, como seleccionar

el interruptor de presión, las consideraciones en las instalaciones para que el

funcionamiento de un sistema hidroneumático sea el adecuado y no tenga ningún

problema.

Existen metodologías desarrolladas por empresas dedicadas al cálculo,

selección de sistemas hidroneumáticos, que brindan servicios de venta, mantenimiento

e instalación, éstas son las encargadas de trabajar en base a las metodologías

desarrolladas para dimensionar el sistema en lo referente al tanque y bomba para que

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la operación de todo el conjunto sea sin ningún contratiempo. En este análisis se

desglosan y describen las consideraciones necesarias para poder calcular y seleccionar

de manera sencilla y metódica el sistema hidroneumático.

La forma de comparar estas metodologías y sus criterios es calculando un

sistema hidroneumático para un misma residencia, tomando en cuenta el desarrollo de

una y de otra empresa así como la consideración del tipo de tanque si es de membrana

o diafragma. Involucrando los criterios de selección de bombas y el número de ellas.

En el presente trabajo se estableció la comparación de las metodologías de dos

empresas dedicadas a prestar servicios de instalación y mantenimiento de sistemas

hidroneumáticos, tomando en cuenta sus criterios de instalación se comparó un

proyecto en una residencia ubicada en Toluca, Estado de México partiendo de la

información proporcionada por el director del proyecto se obtuvo que los resultados

muestran la importancia del dimensionamiento del sistema, la importancia de trabajar

por debajo o arriba del funcionamiento adecuado del equipo y el impacto económico y

ecológico que implica la buena selección.

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JUSTIFICACIÓN

Hoy en día existe la idea de que el cálculo y selección de los equipos

hidroneumáticos se determina solo a través de Tablas, si bien es cierto que los

fabricantes de los tanques hidroneumáticos han facilitado la selección de estos a través

del uso de Tablas de selección; sin embargo, la integración de un sistema

hidroneumático necesita que se consideren todos los elementos que lo constituyen,

asegurando el funcionamiento adecuado de ellos y prolongando la vida útil del mismo

en el cálculo realizado.

Existen metodologías de cálculo de sistemas hidroneumáticos y es necesario

conocer tanto el funcionamiento de todo el sistema así como la selección acertada del

tanque precargado. Las metodologías tienen consideraciones propias, sobre las

pérdidas de fricción, conexiones, alturas, los tiempos de arranque y paro, que de no ser

tomadas en cuenta tendrán un fuerte impacto en el desempeño incorrecto del equipo.

En su mayoría los documentos que describen el cálculo de sistemas

hidroneumáticos describen un procedimiento para calcular sistemas hidroneumáticos

que cuentan con compresor, aun cuando en la actualidad se calculan e instalan tanques

hidroneumáticos precargados reemplazando a los equipos con compresor que solían

ocupar grandes espacios en los cuartos de máquinas y ser muy ruidosos.

En el presente trabajo son comparadas y analizadas las metodologías

mencionadas que son utilizadas por las empresas dedicadas a la venta, instalación de

los sistemas hidroneumáticos, para conocer mejor como es que lo desarrollan de

manera rápida y eficientemente, proporcionando así información útil a técnicos,

Ingenieros y personas que deseen saber cómo es que son calculados y seleccionados

los sistemas hidroneumáticos en aplicaciones residenciales.

El impacto que tiene la adecuada selección de un sistema hidroneumático es en

el costo del mismo de igual forma el consumo eléctrico y mantenimientos posteriores,

estos son aspectos que por ética profesional deben estar considerados en estas

metodologías.

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Al subdimensionar un sistema hidroneumático tenemos un impacto económico

de la siguiente manera: el costo de compra del sistema hidroneumático es bajo,

suministrara una buena presión en casa, pero tendrá constantes arranques y paros del

sistema, trayendo consigo un consumo eléctrico muy elevado y un número muy alto de

mantenimientos del tipo correctivo.

Al sobredimensionar un sistema hidroneumático se tiene un impacto económico

de la siguiente manera: el costo de la compra del sistema hidroneumático es elevado,

pero estará cubriendo altas demandas de consumo y de esta manera, la o las bombas

descansan más tiempo, trayendo como resultado un bajo consumo eléctrico y un

reducido número de mantenimientos del tipo correctivo.

Se tiene la necesidad de desarrollar la ingeniería necesaria para dimensionar un

sistema hidroneumático de una forma óptima aplicando los conocimientos teóricos y

prácticos, cubriendo así, el ahorro en consumo eléctrico, un mejor aprovechamiento del

sistema y la prolongación de su vida útil.

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OBJETIVO GENERAL

Comparar las metodologías y criterios utilizados en el cálculo y selección de sistemas

hidroneumáticos que son utilizados por dos empresas dedicadas a esta actividad en

aplicaciones residenciales. Permitiendo analizar los procedimientos utilizados para tal

efecto, distinguir el desarrollo de la ingeniería en cada paso así como el

comportamiento de estos sistemas y sus componentes, así como las consideraciones

al momento de instalar y dar mantenimiento.

Objetivos Específicos:

1. Ampliar la visión de cómo es que son seleccionados los sistemas hidroneumáticos en su

totalidad.

2. Resaltar la importancia de la interpretación de los resultados, del dimensionamiento de los

equipos.

3. Describir el impacto en el costo del equipo por las ventajas de trabajar por debajo o por

arriba del funcionamiento adecuado del sistema.

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Capítulo 1

ANTECEDENTES Y CONCEPTOS BÁSICOS DE INGENIERÍA PARA SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS

1.1 Ley de la conservación de la materia en el flujo de fluidos.

El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema de conductos

cerrados depende del principio de continuidad esto es, la cantidad de fluido que pasa por

cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante. En este caso decimos que se tiene un

flujo constante. Ahora bien, si no se agrega fluido, se almacena o se retira entre la sección 1 y

la sección 2, entonces la masa del flujo que pasa por la sección 2 en un tiempo dado, debe ser

la misma que la que fluye por la sección 1, en el mismo tiempo. Lo anterior se expresa en

términos de la rapidez de flujo de masa como.[1]

Figura 1. Parte de un sistema de distribución de fluido

[2]

(Ecuación 1)

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18

Donde es la masa de fluido que fluye por una sección por unidad de tiempo (t)

O ya que = ρAv, tenemos

(Ecuación 2)

Donde:

ρ es la densidad

A es el área de la sección

v es la velocidad promedio del flujo

Esta ecuación se le conoce como ecuación de continuidad y es utilizada para relacionar

la densidad del flujo, el área de flujo y la velocidad de flujo en dos secciones de un sistema en

el que existe un flujo estable. Es válida para todos los fluidos, ya sean gases o líquidos[3]. La

ecuación de continuidad establece que: “la masa no se crea ni se destruye”.

1.2 Ecuación de continuidad para flujo incompresible, de viscosidad constante y flujo permanente.

Si el fluido que se encuentra en un tubo es un líquido que puede ser considerado

incomprensible, entonces los términos ρ1 y ρ2 de la ecuación son iguales, la ecuación queda:

A1v1= A2v2 (Ecuación 3)

Donde Q=Av:

Q1=Q2 (Ecuación de igualdad 4)

Donde

Q es el rapidez del flujo de volumen o Caudal

A es el área de la sección

v es la velocidad promedio del flujo

La igualdad 4 es aplicada a líquidos; establece que para un flujo estable, la rapidez de

flujo de volumen es la misma en cualquier sección. También se le puede utilizar, con un error

pequeño, para gases a baja velocidad, es decir, menos de 100 m/s. [4]

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19

1.3 Ley de la conservación de la energía para el flujo de fluidos incompresibles.[5]

Se sabe que la energía no puede ser creada ni destruida, sino que puede ser

transformada de un tipo a otro. Este es el enunciado de la ley de la conservación de la energía.

Figura 2. Elemento de fluido en un conducto [6]

Cuando se analiza el flujo en conductos, se toma en cuenta las diferentes formas de

energía que actúan sobre el elemento, por ello se considera el elemento de flujo como se

muestra en la Figura 2 que puede estar colocado a una cierta elevación z, teniendo una

velocidad v y una presión p; estas formas de energía son:

Energía potencial. Debido a su elevación, se determina de la siguiente manera:

(Ecuación 5) Donde:

es la energía potencial

es el peso del elemento

es la elevación

Energía cinética. Debido a su velocidad, se calcula:

(Ecuación 6)

Donde:

es la energía cinética

es el peso del elemento

es la aceleración del elemento

es la gravedad

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20

Energía de flujo. En ocasiones conocida como energía de presión o trabajo de flujo, esta

representa la cantidad de trabajo necesario para mover el elemento del flujo a través de una

cierta sección en contra de la presión p, La energía de flujo se abrevia FE (Flow Energy,

energía dinámica) y se calcula a partir de la ecuación:

(Ecuación 7)

es la energía de flujo

es el peso del elemento

es la presión

es el peso específico

La cantidad total de energía de estas tres formas que posee el elemento de fluido será

la suma representada con E [7]:

(Ecuación 8)

Donde:

Energía de flujo

Energía potencial

Energía cinética

Cada uno de estos términos se expresa en unidades de energía, newton-metro (N.m)

en el sistema internacional o en pues-libra (pie/lb) en sistema británico de unidades [8].

Figura 3. Elementos de fluido utilizados en la ecuación de Bernoulli

[8]

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21

Considerando que en el elemento de fluido de la Figura 3 se mueve de la sección 1 a

la sección 2. Los valores p, z y v son diferentes en las dos secciones.

En la sección 1, la energía total es:

(Ecuación 9)

En la sección 2 la energía total es:

(Ecuación10)

Si no se agrega energía al fluido o se pierde entre las secciones 1 por lo que el

principio de conservación de la energía requiere que:

E1=E2 (Ecuación de igualdad 11)

=

(Ecuación 12)

1.4 Ecuación de la conservación de la energía para flujo interno e ideal

El peso del elemento w, es común a todos los términos y se le puede cancelar. La

ecuación entonces se convierte en:

(Ecuación 13)

Donde:

Carga de presión

Carga de elevación

Carga de velocidad

Esta ecuación es conocida como la ecuación de Bernoulli.[9]

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22

Figura 4. Sistema de flujo de fluido que ilustra la ecuación general de la energía[10]

1.5 Ecuación general de la energía para flujo interno[11]

La ecuación general de energía, es una expansión de la ecuación de Bernoulli. Que

hace posible resolver problemas en los que se presentan perdidas y adiciones de energía. La

interpretación lógica de la ecuación de energía se puede ver en la Figura 4 que presenta un

sistema de flujo, los términos E´1 y E´2 denotan la energía que posee el fluido por unidad de

peso en las secciones 1 y 2 respectivamente. También se muestran las adiciones, remociones y

perdidas de energía hA, hR y hL. Para tal sistema, la expresión del principio de la conservación

de la energía es:

(Ecuación 14)

Donde:

hA= Energía agregada al fluido mediante un dispositivo mecánico como puede ser una

bomba

hR = Energía removida o retirada del fluido mediante un dispositivo mecánico como podría ser

un motor de fluido

hL = Perdidas de energía por parte del sistema, debidas a fricción en los conductos, o

pérdidas menores debidas a la presencia de válvulas y conectores

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23

La energía que posee el fluido por unidad de peso es:

E´=

(Ecuación 15)

Y la ecuación queda de la siguiente manera:

(Ecuación 16)

Ecuación general de la energía

Donde:

presión

peso especifico

altura

velocidad

gravedad

1.6 Estructura de flujo a través del número característico de Reynolds [12]

En el cálculo de la energía perdida debido a la fricción en un sistema de fluido, es

necesario caracterizar la naturaleza del flujo. Al flujo lento y uniforme se conoce como flujo

laminar. Por el contrario, al flujo rápido y caótico se conoce como flujo turbulento.

El tipo de flujo puede medirse mediante el cálculo de un número sin dimensiones

llamado el número de Reynolds, el cual relaciona las variables más importantes que describen

un flujo las cuales son:

Velocidad, longitud de la trayectoria del flujo, densidad de fluido y viscosidad.

Definición del número de Reynolds

El número de Reynolds es el número que da las características del fluido, ya que es el

cociente de la fuerza de inercia sobre un elemento de fluido, entre la fuerza viscosa El Número

de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o

de un flujo turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un

régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una

longitud determinada.[13]

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24

(Ecuación 17)

Para verificar analíticamente el carácter del flujo en un conducto redondo depende de

cuatro variables: la densidad del fluido (ρ), la viscosidad del fluido(µ), el diámetro del conducto

(D) y la velocidad promedio del flujo (v). Osborne Reynolds demostró que un flujo laminar o

turbulento puede ser predicho si se conoce la magnitud de un número adimensional, conocido

ahora como número de Reynolds (NR) [14].

Nr=

(Ecuación 18)

NR=

Tenemos que si el número de Reynolds para el flujo es menor que 2000, es un flujo laminar ya

que poseen una alta viscosidad y/o que se mueve a bajas velocidades.

Si el número de Reynolds es mayor que 4000, se trata de un flujo turbulento debido a una alta

velocidad o a una baja viscosidad o a ambas.

En el intervalo de números de Reynolds comprendido entre 2000 y 4000, es imposible predecir

qué tipo de flujo existe; por consiguiente, este intervalo se conoce como región crítica.

Si NR < 2000 el flujo es laminar

Si NR > 4000 el flujo es turbulento

1.7 Factores fricción por flujo interno por Moody y Swammy-Jane [15]

El número a dimensional f depende de otros dos números, también a dimensionales, el

número de Reynolds y a la rugosidad relativa ε de la pared del conducto.

Uno de los métodos más extensamente empleados para evaluar el factor de fricción

hace uso del diagrama de Moody que se presenta a continuación: (ver anexo)

El diagrama muestra el factor de fricción f graficado contra el número de Reynolds NR

con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa, D/ ε.

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25

Tanto f como NR están graficados en escalas logarítmicas, debido al amplio intervalo de

valores encontrados. En el extremo izquierdo del diagrama, para números de Reynolds

menores que 2000, la línea recta muestra la relación F=64/NR para flujo laminar. Para 2000<

NR< 4000, no se trazan curvas, pues se trata de la zona critica entre flujo laminar y turbulento

y no es posible predecir el tipo de flujo.

1. Para un número de Reynolds dado de un flujo, conforme la rugosidad relativa D/ ε

aumenta, el factor de fricción disminuye.

2. Para una cierta rugosidad relativa dada D/ε el factor de fricción disminuye al aumentar

el número de Reynolds, hasta que se alcanza la zona de turbulencia completa.

3. Dentro de la zona completa de turbulencia, el número de Reynolds no tiene efecto

alguno sobre el factor de fricción.

4. Conforme aumenta la rugosidad relativa D/ε Kel valor de Reynolds en el cual se inicia la

zona de completa turbulencia empieza a aumentar.

El diagrama de Moody se utiliza como ayuda para determinar el valor del factor de

fricción f, para flujo turbulento.

1.8 Rugosidad[16]

Figura 5. Rugosidad de un materia.l[17]

Las tuberías existe una rugosidad relativa que depende del cociente del diámetro, D, del

conducto entre la rugosidad promedio, ε (letra griega épsilon), de la pared del conducto. En la

Figura 5 se ilustra la rugosidad de la pared del conducto (exagerada) como la altura de los picos

de las irregularidades superficiales. La condición de la superficie del conducto depende

bastante del material con que está hecho el conducto y el método de fabricación. Para

conductos y tuberías disponibles comercialmente, el valor de diseño de la rugosidad de la

pared, ε , ha sido determinada de la forma en que se muestra en la Tabla 1, los cuales son solo

valores promedio para conductos nuevos y limpios. Se debe esperar que haya algo de

IPN-ESIME

26

variación. Después de que el conducto ha estado en servicio durante algún tiempo, la

rugosidad puede cambiar debido a la formación de depósitos en la pared o debido a la

corrosión.

Material Rugosidad ϵ (m) Rugosidad ϵ (pie)

Vidrio, plástico suavidad suavidad

Cobre, latón, plomo, tubería 1.5x10-6

5x10-6

Hierro fundido, sin revenir 2.4x10-4

8x10-4

Hierro fundido; revestido de asfalto 1.2x10-4

4x10-4

Acero comercial o acero soldado 4.6x10-5

1.5x10-4

Hierro forjado 4.6x10-5

1.5x10-4

Acero remachado 1.8x10-3

6x10-3

Concreto 1.2x10-3

4x10-3

Tabla 1. Rugosidades y materiales [18]

1.9 Ecuación constitutiva de Darcy-Weisbach para caída de carga primaria y

secundaria en flujo interno [19]

En la ecuación general de energía

(Ecuación 19)

El termino hL se define como la energía perdida por un sistema. Una componente de la

pérdida de energía se debe a la fricción en el flujo en movimiento. La fricción es proporcional a

la cabeza de velocidad del flujo y al cociente de la longitud entre el diámetro de le corriente de

flujo, para el caso de flujo en conductos y tubos. Lo anterior expresa de manera matemática la

ecuación de Darcy-Weisbach:

Perdidas primarias

(ecuación20)

Perdidas secundarias

( ecuación 21)

(Ecuación 22)

IPN-ESIME

27

Donde:

hL = perdida de energía debido a la fricción (Nm/m N, m, lb-pie/lb, pie, metros columna

de agua, pies columna de agua)

= longitud

D = diámetro del conducto (m o pie)

v = velocidad de flujo promedio

= factor de fricción (sin dimensiones)

La ecuación 22 se puede utilizar para calcular la perdida de energía en secciones largas

y rectas de conductos redondos, tanto para flujo laminar como turbulento. La diferencia entre

los dos está en la evaluación del factor de fricción f, que carece de dimensiones.

1.10 Ecuación constitutiva de Hazen Williams [20]

La ecuación de Hazen-Williams es la alternativa a la ecuación de Darcy Weysbach, para

el caso especial del flujo de agua en sistemas de tuberías.

La fórmula de Hazen-Williams es una de las más populares para el diseño y análisis de

sistemas de agua. Su uso está limitado al flujo de agua en conductos mayores de 2.0 pulg y

menores de 6.0 pies de diámetro. La velocidad de flujo no debe exceder los 10.0 pies/s. se

tiene también desarrollada para agua a 60°F.

Esta fórmula es específica en las unidades. A continuación se escriben las unidades en

el Sistema Británico.

(Ecuación 23)

Donde:

velocidad promedio de flujo (pies/s)

coeficiente de Hazen-Williams (sin dimensiones)

Radio hidráulico de conducto de flujo (pie)

Cociente hL/L: pérdida de energía entre longitud del conducto (pie/pie)

El uso del Radio hidráulico permite el uso de esta fórmula para secciones no circulares

y para secciones circulares.

El coeficiente Ch depende únicamente de la condición de la superficie del tubo o

conducto. A continuación en la Tabla 2 Se dan los valores típicos. El valor de diseño considera

IPN-ESIME

28

la acumulación de depósitos que se dan en la parte interna del conducto después de usarlo

algún tiempo, aun cuando es agua limpia la que fluye por él.

Tipo de Conducto Promedio para conductos limpios y nuevos

Valor de diseño

Acero, hierro dúctil o hierro fundido con cemento aplicado centrífugamente o revestimiento bituminoso

150 140

Plástico, cobre, latón, vidrio 140 130

Acero o hierro fundido 130 100

Concreto 120 100

Acero corrugado 60 60

Tabla 2. Coeficiente de Hazen – Williams, Ch. [21]

La ecuación 23 permite el cálculo directo de la velocidad de flujo para un tipo y un

tamaño dados de conducto de flujo, cuando se conoce o especifica la pérdida de energía por

unidad de longitud.

Otros cálculos que se puede hacer son: La determinación del tamaño requerido de

conducto para transportar una rapidez de flujo, mientras se limita la pérdida de energía a algún

valor especifico. La determinación de la pérdida de energía para una rapidez de flujo dada por

un tipo y tamaños dados de conducto de longitud conocida.

Unidades del Sistema Británico Unidades

en pies/s

en pies3/s

en pies2

en pies

Unidades SI Unidades

en pies/pies (sin dimensiones)

en m/s

en m3/s

en m2

en m

en m/m (sin dimensiones) Tabla 3.- Se muestran varias formas de la fórmula de Hazen- Williams que facilitan tres cálculos

[22]

IPN-ESIME

29

1.11 Perdidas por Longitud Equivalente en accesorios. [23]

Una tubería que comprende diversas piezas especiales y otras características, bajo el punto de

vista de pérdidas de carga, equivale a una tubería rectilínea de mayor longitud.

En esta ésta simple idea se basa el método para la consideración de las pérdidas locales,

mediante la longitud equivalente.

Consiste en sumar a la extensión del tubo, para efecto de cálculo, extensiones tales que

correspondan a la misma perdida de carga que causarían las piezas especiales existentes en la

tubería. A cada pieza especial corresponde una cierta extensión ficticia y adicional.

Tendiéndose en consideración todas las piezas especiales y demás causas de perdidas, se

llega a una extensión virtual de tubería. Dicha extensión se puede calcular por la fórmula de

Darcy-Weisbach.

(Ecuación 24)

Ecuación que viene de:

Ecuación 25)

Ecuación 26)

Ecuación 27)

Donde:

L= longitud equivalente de la pieza

k = coeficiente de resistencia (dato de Tablas)

d = diámetro de la pieza

f =coeficiente de fricción del material

IPN-ESIME

30

Valores prácticos

La Tabla 4 incluye valores para las extensiones ficticias correspondientes a las piezas

especiales y pérdidas mas frecuentes en tuberías. Los datos presentados fueron calculados por

diversas instituciones norteamericanas basándose en la fórmula de Darcy- Weisbach.

IPN-ESIME

31

Tabla 4. Longitudes equivalentes a pérdidas locales (expresadas en metros de tubería rectilínea) [24]

IPN-ESIME

32

En las normas de diseño del Instituto Mexicano del Seguro Social hace la indicación de que se

use el método de longitudes equivalentes.

La pérdida de energía ocurrida como flujo de fluidos a través de una válvula o juntura se calcula

a partir de la ecuación 23, según su utilización para las pedidas menores. Sin embargo, el

método para determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El valor K se reporta de la

forma [25]

(Ecuación 28)

El valor Le/D, llamado la porción de longitud equivalente, se reporta en la Tabla 5 y se

considera que es una constante para un tipo dado de válvula o unión El valor de L, mismo se

denomina la longitud equivalente y es la longitud del conducto recto del mismo diámetro

nominal como la válvula que tendría la misma resistencia que ésta. El termino D es el diámetro

interior real del conducto.

El termino ft es el factor de fricción en el conducto al cual está conectada la válvula o juntura,

tomado en la zona de turbulencia completa [25].

Tabla 5. Resistencia en válvulas y junturas expresada como longitud equivalente en diámetros de conducto. [25]

Tipo Longitud equivalente en diámetros de conducto Le /D

válvula de globo- completamente abierta 340

válvula de ángulo- completamente abierta 150

válvula de compuerta-completamente abierta 8

3/4 abierta 35

1/2 abierta 160

1/4 abierta 900

válvula de verificación- tipo giratorio 100

válvula de verificación - tipo de bola 150

válvula de mariposa- completamente abierta 45

codo estándar de 90° 30

codo de radio de largo de 90° 20

codo de calle de 90° 50

codo estándar de 45° 16

codo de calle de 45° 26

codo de devolución estándar 50

tee estándar- con flujo a través de un tramo 20

tee estándar- con flujo de una rama 60

IPN-ESIME

33

1.12 Materiales hidráulicos [26]

Los materiales con que se fabrican los elementos que conforman las redes de distribución de

agua potable pueden ser, tuberías de fibrocemento, P.V.C., polietileno, polipropileno random,

cobre y fierro galvanizado en la toma domiciliaria, hierro fundido en piezas especiales, bronce

en válvulas de acero.

Cabe resaltar que el proyectista, constructor o el residente de la obra podrán proponer en su

caso, otro tipo de material, piezas especiales, o válvulas debido a la variedad de materiales que

existen en el mercado, siempre y cuando esos materiales aseguren el correcto funcionamiento

de las redes hidráulicas de abastecimiento de agua potable y de evacuación de aguas

residuales, pluviales y cumplan con las normas oficiales vigentes, incluidas las ecológicas

Fibrocemento, NOM-C-12/1-1981

Cloruro de polivinilo (PVC) NOM-E-22-1977

Polietileno de lata densidad, NMX-E-18-1996(PE 3456)

Concreto presforzado, NOM-C-252-1986

Acero, NOM-B-10-1984

Cobre, NOM-W-17-1981

Hierro galvanizado, NOM-B-10-1981

1.13 Códigos y estándares para proyectos de instalaciones hidráulicas

sanitarias

NOM-179-SSA1-1998 Vigilancia y evaluación del control de calidad del agua para uso y

consumo humano, distribuida por sistemas de abastecimiento público. Aplicables al agua

utilizada en las actividades humanas, como lavado de trastes y para el aseo personal, debe

cumplir con los parámetros para poder ser utilizada sin afectar la salud de quien utilice este vital

recurso.

Normas técnicas complementarias para el diseño y ejecución de obras e instalaciones

hidráulicas y Normas técnicas complementarias para el proyecto arquitectónico, ambas normas

indican que los materiales para las instalaciones hidráulicas deben de cumplir con las normas

IPN-ESIME

34

mexicanas en el caso de las pruebas realizadas a los muebles, y accesorio, así mismo ser de

buena calidad, considerar los pasos y detalles de la instalación hidráulica, esto con el objetivo

primordial de que estas instalaciones proporcionen seguridad, sea funcional y brinden un

servicio adecuado al usuario final .

Velocidades de flujo, diámetro económico. Generalidades.[27]

En la norma de diseño hidráulico del IMSS (sistemas de fluidos hidráulicos y de refrigeración

página 5) se establece que la velocidad de flujo para bombas centrifugas debe ser

Tabla 6 .- Rangos aceptados por norma de velocidades de succión y descarga

Diámetro económico [28]

Aunque el tamaño de la tubería para la línea de succión nunca debe ser más pequeño que la

conexión de entrada a la bomba, ésta puede ser más grande para reducir la velocidad del flujo y

las perdidas por fricción.

La especificación del tamaño de la tubería de descarga está relacionada en gran medida con la

economía. En particular, para tramos de tubería largos, el costo de la tubería se incrementa

significativamente conforme el tamaño de la tubería es mayor. Sin embargo los tamaños de

tubería más pequeños para una determinada velocidad de flujo provocan velocidades más altas

y por lo tanto pérdidas de energía más grandes. A medida que se incrementan las pérdidas de

energía, la carga total de la bomba se incrementa, lo cual requiere usualmente, una bomba más

cara si se desea tener una carga mayor.

Las velocidades recomendadas en las líneas de descarga pueden ser solamente aproximadas

debido a que se debe considerar la economía total de una determinada instalación.

1.13.1 Reglamento de Construcciones del D.F.[29]

De acuerdo con el reglamento de construcciones vigentes donde establece que las

instalaciones hidráulicas y eléctricas deben cumplir las normas oficiales, así como en el caso

La velocidad de succión La velocidad de descarga

0.5 < Succión< 1.5 m/s

2 m/s < Descarga < 3m/s

IPN-ESIME

35

del uso de soldadura de manera eficiente en el empalme de la tubería, todos los elementos

utilizados deben de ajustarse a lo que disponga la ley de aguas del Distrito Federal y sus

reglamentos, las normas y, en su caso, las normas oficiales mexicanas y normas mexicanas

aplicables.

En la norma indica la altura de los tinacos, las condiciones de los materiales para conexiones,

tubos, válvulas y gasto de cada mueble para el ahorro del agua.

Resalta la importancia en el aspecto de la construcción la instrucción de dejar pasos, registros

y pendientes adecuadas, revisión de uniones y soportes y realización de pruebas forman parte

de educación constructiva, de la ética del instalador, quien deberá verificar personalmente estas

pruebas para asegurar y garantizar una instalación adecuada; el agua es un elemento que

siempre ofrece problemas aun cuando sea conducida por tuberías, pues busca de cualquier

forma salirse de cauce.

Las instalaciones eléctricas, hidráulicas, sanitarias serán las que se indiquen en el proyecto,

garantizaran la eficiencia de las mismas, así como la seguridad de la edificación, trabajadores y

usuarios

Indica que los tramos verticales se colocarán empotrados en los muros o elementos

estructurales o sujetos a éstos mediante abrazaderas,

Los tramos de tuberías de las instalaciones hidráulicas, sanitarias deben unirse y sellarse

herméticamente, de manera que se impida la fuga del fluido que conduzcan.

Las instalaciones, particularmente las de gas, agua y drenaje que crucen juntas constructivas

estarán provistas de conexiones flexibles o de tramos flexibles.

NOM 005 CNA 1996 Hace referencia a los fluxómetros, elemento, que requieren una presión

más elevada que un sanitario normal, y deben aprobar ciertas pruebas además de ofrecer un

mejor barrido de los desechos fecales.

NOM 009 CNA 1996 Hace referencia a los inodoros haciendo mención a las pruebas

realizadas y que deben aprobar los inodoros para así brindar el servicio para el cual fueron

IPN-ESIME

36

diseñados, además de ofrecer las presiones y el tiempo estimado de llenado de la caja y la

capacidad máxima requerida en estos muebles de 6 litros.

NOM 010 CNA 2000 Norma que evalúa la válvula de admisión y válvula de descarga para

tanque de inodoro, proporciona la presión que puede soportar las válvulas y el tiempo estimado

de llenado, la resistencia que debe tener la válvula de descarga a la torsión esto con el fin de

que las válvulas aprobadas por la norma no sean factor de la generación de fugas.

(American Water Works Association(awwa), ASTM International , nsf international national

sanitation foundation, international association of plumbing and mechanical officials,

international organization for standardization )

Todas las normas tiene la visión de proteger el recurso vital del agua, estableciendo parámetros

y condiciones para las instalaciones.

1.13.2 Obra Civil

En la obra civil es importante el diseño del cuarto de máquinas en caso de existir alguno para

así proteger los equipos, así como las instalaciones hidráulica, eléctrica y previendo los

mantenimientos.

También se debe tener en cuenta que el acceso de los equipos sea sin ningún problema, que el

espacio sea amplio para la realización de mantenimientos preventivos o correctivos y el posible

remplazo de alguna de los elementos. En cuanto a la altura del cuarto debe tener el suficiente

espacio para poder trabajar en él, en caso de que se tenga que levantar alguno de los

elementos, así como evitar algún tipo de filtraciones de agua y la formación de salitre en las

paredes. Contar con la suficiente ventilación para las bombas y con una línea de descarga o

drenaje en caso de inundación.

Base o cimiento de las bombas [30]

Este debe ser una estructura sólida de concreto armado, lo suficientemente pesada para que

proporcione un soporte rígido permanente a toda el área de la base o asiento de este, además

de absorber cualquier esfuerzo, imprevisto o vibraciones normales.

IPN-ESIME

37

Cimentación

Si el suelo donde va a ser construido tiene que ser de roca monolítica o sólida; para ello, debe

considerarse lo siguiente:

1) La parte superior del cimiento debe quedar tan baja como sea posible con el objeto de

facilitar el trabajo sobre el motor, por lo que la excavación deberá hacerse lo suficientemente

profunda.

2) Es importante que el suelo no tenga secciones de tierra, si existiera tal caso, con el tiempo

quedaría disparejo y el cimiento se hundiría esto se debe a que la humedad, la vibración y

otras causas, hacen que la tierra cambie de posición. Para funcionar correctamente, todos los

motores requieren un sostén perfectamente nivelado, tanto en el sentido longitudinal, como

en el transversal. Este nivel se debe conservar durante la vida útil del motor.

En la base de los ojales de sujeción de la bomba se recomienda utilizar una rondana de caucho

que permita absorber las vibraciones de la bomba.

Figura 6. Detalle del anclaje de las bombas

[31]

1.14 Notas sobre el uso de nomogramas, diagramas y tablas [32]

Nomogramas y Tablas

Un nomograma, En su concepción más general, representa simultáneamente el conjunto de las

ecuaciones que definen determinado problema y el rango total de sus soluciones.

IPN-ESIME

38

Se trata de un instrumento de cálculo analógico, como lo es la regla de cálculo, por utilizar

segmentos continuos de líneas para representar los valores numéricos discretos que pueden

asumir las variables.

Los nomogramas están íntimamente relacionados con otro instrumento tradicional de solución

de problemas y de presentación sucinta de información científica, las Tablas.

Figura 7. Nomograma de Hazen-Williams, herramienta muy utilizada en la ingeniería [33]

IPN-ESIME

39

1.15 Descripción del Método de Hunter[34]

La primer aplicación de la teoría de las probabilidades para determinar el gasto máximo

instantáneo, fue hecha por el doctor Roy b. Hunter del Departamento Nacional de Normas de

los Estados Unidos de América. La primera presentación de este método apareció publicada en

1924 en el artículo denominado requisitos mínimos de plomería en viviendas y construcciones

similares.

En el artículo publicado de Métodos de estimación de gastos en instalaciones sanitarias, en

ese documento, se presenta las Tablas que definen la demanda de agua de los aparatos o

muebles sanitarios en función de lo que Hunter denominó Unidades Mueble y las Tablas que

determinan los gastos que probablemente se tendrán de acuerdo con un cierto número de

Unidades Mueble.

Los fundamentos del método

Hunter considero que el funcionamiento de los principales muebles que integran una

instalación sanitaria, pueden considerarse como eventos puros al azar.

A partir de esto, determino las máximas frecuencias de uso de los muebles que demandan un

cierto gasto en la instalación sanitaria de una construcción de tipo residencial, basándose en

los registros obtenidos en forma directa en hoteles y casas de habitación, durante los periodos

de máximo uso además, determino los valores promedio de los volúmenes de agua consumidos

por los diferentes muebles y de los tiempos de operación de cada uno.

En base a esos valores obtenidos, Hunter definió como “Unidad Mueble” a la cantidad de agua

consumida por un lavabo de tipo domestico durante un uso del mismo.

Habiendo definido la unidad mueble, determino la equivalencia de unidades mueble para los

aparatos sanitarios más usuales y basado en el cálculo de las probabilidades, obtuvo el tiempo

de uso simultaneo de los muebles y de aquí los gastos en función del número de unidades

mueble, equivalente a los muebles sanitarios por abastecer.

IPN-ESIME

40

El desarrollo teórico lo presento aplicado únicamente a grandes grupos de muebles sanitarios,

como los que se encuentran en las instalaciones de los edificios, oficinas, hoteles y edificios de

viviendas

Definió el gasto de diseño como aquel que “aunque tiene una cierta probabilidad de no ser

excedido puede ser superado en raras ocasiones, aceptable desde un punto de vista práctico.

Considero que la instalación brinda un servicio satisfactorio o estará adecuadamente diseñada,

si las tuberías de la instalación tienen la capacidad suficiente para abastecer satisfactoriamente

el gasto demandado por un número “m” del total de “n” muebles sanitarios de la edificación, que

probablemente funcionarán simultáneamente cuando más el 1% del tiempo. El valor de 1% fue

escogido arbitrariamente por Hunter, al iniciar la aplicación de la teoría al problema de

determinar los gastos de diseño en instalaciones sanitarias y ha sido usado desde 1940 por

varios organismos de construcción del gobierno federal de los Estados Unidos de América con

buenos resultados.

Cálculo de los gastos en una red de distribución de agua a muebles sanitarios

Los gastos de los diferentes tramos de una red de distribución de agua fría o de agua caliente

para muebles sanitarios se calcularán con base en el método de Unidades-Mueble de acuerdo

con la Tabla 7 [35]

Mueble Unidades - mueble Mueble Unidades - mueble

Total Agua fría

Agua caliente

Total Agua fría

Agua caliente

ÁREAS GENERALES Regaderas

Artesa 2 1.5 1.5 Baños generales de encamados

2 1.5 1.5

Bebedero 1 1 Baños y vestidores de médicos(as)

2 1.5 1.5

Cocineta 1 1 Baños y vestidores de personal

2 1.5 1.5

Destilador de agua 1 1 Descontaminación 2 1.5 1.5

Escudillas de laboratorio 1 1 Tanque de relevado manual

2 1.5 1.5

Esterilizador 1 1 Taque de relevado automático

4 3 3

Fregadero - cocina de piso 2 1.5 1.5 Toilets

Grupos de baño (wc con fluxómetro)

Consultorios 2 2

wc-l-r 3 3 1.5 Jefaturas 2 2

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41

wc-r 3 3 1.5 Laboratorios 2 2

wc-l-r 3 3 0.75 Personal 3 3

l-r 2 1.5 1.5 Unidad dental 1 1

Grupo de baño (wc con tanque) Unidad otorrino 1 1

wc-l-r 2 1.5 1.5 Vertedero (por mezcladora)

wc-r 2 1.5 1.5 Anexos de consultorios 1 0.75 0.75

wc-l-r 1 1 0.75 CEYE 2 1.5 1.5

Inodoros (con fluxómetro) Cuartos de aseo 1 1

Sanitarios de sala de espera 5 5 Laboratorio clínico (A.F.) 1 1

Sanitarios de aulas y auditorios 5 5 Laboratorio clínico (A.F. y A.C.)

2 1.5 1.5

Con válvula divergente en séptico

3 3 Laboratorio de leches 2 1.5 1.5

Todos los de mas 3 3 Trabajo de enfermeras 2 1.5 1.5

Lavabos Trabajo de yeso 2 1.5 1.5

Sanitarios públicos 1 1 COCINA GENERAL

Baños y vestidores 1 0.75 0.75 Baño maría o mesa caliente

1 1

Baños generales de encamados 1 0.75 0.75 Cafetería 1 1

Consultorios (climas templados) 1 1 Cocedor de verduras 1 1

Consultorios (clima extremoso) 1 0.75 0.75 Fabricador de hielo 1 1

Cuartos de aislado de encamados

1 0.75 0.75 Fregadero (por mezcladora)

3 2.25 2.25

Cuartos de curaciones 1 0.75 0.75 Fuente de agua 1 1

de cirujanos (por mezcladora) 2 1.5 1.5 Lavadora de loza 10 10

Lavadora de guantes 3 2.25 2.25 Marmitas (por mezcladora)

2 1.5 1.5

Lavadora ultrasónica 3 2.25 2.25 mesa fría 1 1

Lavador esterilizador de cómodos

4 4 Pela papas 1 1

Mesas de autopsias 4 3 3 Triturador de desperdicios

4 4

Microscopio electrónico 1 1 LAVANDERIAS

Mingitorio con fluxómetro 3 3 Lavadoras (por kg de ropa seca)

Mingitorio con llave de resorte 2 2 Horizontales 2.2 2.2 2.2

Regaderas Extractoras 4.4 4.4 4.4

Baños de médicos anatomía pat.

2 1.5 1.5

Baños de médicos (as) cirugía 2 1.5 1.5

Tabla 7. Valores de Unidad Muebles a partir de los muebles sanitarios (manual de diseño hidráulico IMSS) [36]

Cálculo de las unidades-mueble de los diferentes tramos [37]

Para el cálculo de las Unidades-Mueble correspondiente a cada uno de los diferentes tramos de

una red de distribución se debe sumar las Unidades-Mueble de los muebles y equipos a los que

da servicio el tramo.

IPN-ESIME

42

Determinación de gastos [37]

Los gastos de los diferentes tramos de las redes de distribución de agua fría o de agua caliente

a muebles sanitarios se determinarán con base a la Tabla 8.

No. UNIDADES

MUEBLE

GASTO PROBABLE (l.p.s)

No. UNIDADES

MUEBLE

GASTO PROBABLE (l.p.s) No.

UNIDADES

MUEBLES

GASTO POBABLE

(l.p.s)

Sin

fluxómetro

Con

fluxómetro

Sin

fluxómetro

Con

fluxómetro

Sin

fluxómetro

Con

fluxómetro

1 0.1

31 1.31 2.64 72 2.31 3.64

2 0.18

32 1.34 2.67 74 2.35 3.68

3 0.25

33 1.37 2.7 76 2.38 3.72

4 0.31

34 1.4 2.73 78 2.42 3.76

5 0.37 1.3 35 1.43 2.76 80 2.45 3.8

6 0.42 1.39 36 1.46 2.79 82 2.49 3.84

7 0.46 1.48 37 1.49 2.82 84 2.52 3.88

8 0.5 1.56 38 1.52 2.85 86 2.56 3.92

9 0.54 1.63 39 1.55 2.88 88 2.59 3.96

10 0.58 1.7 40 1.58 2.91 90 2.63 4

11 0.61 1.76

12 0.65 1.82 41 1.61 2.94 92 2.66 4.04

13 0.68 1.88 42 1.64 2.97 94 2.7 4.08

14 0.72 1.93 43 1.67 3 96 2.73 4.112

15 0.75 1.98 44 1.7 3.03 98 2.76 4.16

45 1.73 3.06 100 2.79 4.2

16 0.79 2.09

17 0.82 2.08 46 1.76 3.09 102 2.82 4.23

18 0.86 2.13 47 1.79 3.12 104 2.85 4.26

19 0.89 2.17 48 1.82 3.15 106 2.88 4.29

20 0.93 2.21 49 1.84 3.18 108 2.91 4.32

50 1.87 3.2 110 2.94 4.35

21 0.96 2.25

22 1 2.29 52 1.92 3.24 112 2.97 4.38

23 1.03 2.33 54 1.97 3.28 114 3 4.41

24 0.07 2.37 56 2.02 3.32 116 3.03 4.44

25 0.1 2.41 58 2.06 3.36 118 3.07 4.47

60 2.1 3.4 120 3.1 4.5

26 1.14 2.45

27 1.17 2.49 62 2.14 3.44 122 3.14 4.53

28 1.21 2.53 64 2.17 3.48 124 3.17 4.56

29 1.24 2.57 66 2.21 3.52 126 3.2 4.59

30 1.28 2.61 68 2.24 3.56 128 3.23 4.62

70 2.28 3.6 130 3.26 4.65

Tabla 8. Gastos en función de unidades-mueble. (IMSS) [38]

IPN-ESIME

43

Distribución de agua fría [33]

Cuando el tramo al que se le va a determinar su gasto y que alimente exclusivamente a

muebles sin fluxómetro, se usará la columna "sin fluxómetro", pero en caso de que el tramo

alimente a muebles con fluxómetro o a muebles con y sin fluxómetro, su gasto se determinará

usando la columna "con fluxómetro".

1.16 Procedimiento de cálculo y selección de bomba (General). [39]

Las bombas utilizadas para elevar o bombear el agua, denominadas “bombas centrifugas”, su

función es subir el agua a la altura total H que se calcula en la forma siguiente:

La altura total (H) también se conoce como altura manometría o carga total, su valor es:

H=Hsuc + Hdesc (Ecuación 29)

Donde:

Hsuc es la altura de succión y su valor se obtiene como:

Hsuc= altura estática de succión + perdidas por fricción en la tubería dentro del tanque o

cisterna + carga de velocidad

La carga de velocidad es donde g = aceleración de la gravedad

Hdesc= altura de descarga o altura total del nivel de la bomba al mueble o servicio más

lejano

Hdesc= altura estática de descarga+ perdidas por fricción en la descarga + descarga de

velocidad en la descarga

La potencia efectiva del motor de la bomba se calcula de acuerdo con la fórmula:

(Ecuación 30)

Esta ecuación es la condensación del cálculo práctico de potencia para motores de bombas.

Dónde:

Hp caballos de fuerza del motor

G gasto en litros / seg.

H altura manométrica o carga total en metros

76 constante para convertir a Hp

M eficiencia de la bomba x eficiencia de transmisión= 70%

IPN-ESIME

44

Los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener, según las normas oficiales

vigentes NOM 001 SEDE, una potencia normal según las fórmulas siguientes:

HP(motor) = 1.3 X HP (bomba) para motores trifásicos (Ecuación 31)

HP(motor) = 1.5 X HP (bomba) para motores monofásicos (Ecuación. 32)

Entonces conociendo la carga total de la bomba, el caudal de servicio requerido y la eficiencia a

la que trabaja la bomba se utilizan las gráficas dadas por los fabricantes para seleccionar el

equipo de bombeo. Es aquí donde juega un papel importante el uso de las curvas de selección

de las bombas, la cual se describe a continuación.

1.17 Descripción de las Curvas características de bombas

Generalidades

Las prestaciones de una bomba centrífuga se pueden evidenciar gráficamente por medio de

una curva característica que, normalmente, tiene datos relativos a la altura geodésica total, a la

potencia efectiva del motor (BHP), a la eficiencia, al NPSHr (carga de succión positiva neta

requerida) y al nivel positivo, informaciones indicadas en relación con la capacidad de la bomba.

Cada bomba centrífuga se caracteriza por su particular curva característica, que es la relación

entre su caudal y su altura de elevación.

Esta representación gráfica, o sea, la trasposición de esta relación en un gráfico cartesiano, es

la mejor manera para conocer qué caudal se puede obtener a una determinada altura de

elevación y viceversa.

En este caso específico, la curva consiste en una línea que parte de un punto (equivalente a

cero caudal /máxima altura de elevación) y que llega hasta el final de la curva con la reducción

de la altura de elevación aumentando el caudal.

Está claro que, para modificar esta representación, contribuyen otros elementos como la

velocidad, la potencia del motor o el diámetro del rodete. Hay que considerar, además, que las

IPN-ESIME

45

prestaciones de una bomba no se pueden conocer sin saber todos los detalles del sistema en el

que tendrá que funcionar. [40]

La curva típica del funcionamiento muestra la carga total sobre la bomba versus la capacidad

o descarga Q. [40]

Figura 8.- curva de operación de una bomba Marca. Pedrollo Se puede muestra la Carga o altura manométrica asi como la

eficiencia de la bomba a diferentes alturas, el NPSH y la potencia absorbida de la bomba. [41]

IPN-ESIME

46

Figura 9 . Curvas de operación de bombas centrifugas Marca Barnes, se observan las curvas de eficiencia en %, la potencia

absorbida por la bomba BHP, el NPSH y la carga dinámica, todo integrado en una sola gráfica. [42]

Figura 10. Carta de selección de una bomba centrifuga, el proveedor, en este caso AURORA PICSA, proporciona en esta gráfica el

comportamiento de las diferentes tipos de bombas que tiene en cierto rango de operación así como de diámetro de impulsor. [43]

IPN-ESIME

47

1.18 Selección de Bombas para sistemas hidroneumáticos. [44]

En sistemas hidroneumáticos es de vital importancia la buena selección de las bombas,

ya que de ellas depende el óptimo comportamiento hidráulico del sistema.

Cuando se selecciona una bomba para hidroneumático, lo primero que se debe

considerar es que el sistema debe operar entre dos puntos de presión: la presión de arranque y

la presión de paro, a la diferencia de estas dos presiones se le llama diferencial de presión ∆p.

Si en el sistema solo se opera un punto de presión constante, los tanques precargados

no realizan su trabajo, por lo tanto es necesario considerar esta situación; cuando el sistema se

encuentra vació la presión es mínima (cero) la bomba por un instante trabajara a caudal

máximo lo que implicara que su punto de operación este situado al final de su curva de

operación, cuando el sistema empieza a llenarse poco a poco la presión de trabajo comenzara

a elevarse, pasara por el punto de diseño y deberá seguirse hasta alcanzar la máxima presión

del sistema y entonces se detendrá. Un interruptor de presión, será el encargado de controlar

estas presiones y mandara las señales al panel de control para el arranque y paro de las

bombas. El comportamiento que hemos descrito se puede observar en Figura11.

Figura 11.- Curva de comportamiento de una bomba de un sistema hidroneumático [45]

IPN-ESIME

48

En la Figura 11 se hace evidente el diferencial de presión y en este caso en específico la curva

proporciona los dos puntos requeridos.

1.19 componentes del sistema hidroneumático residencial [46]

El sistema hidroneumático deber estar construido y dotado de los componentes que se indican

a continuación:

Un tanque de presión, el cual consta de un orificio por el cual ingresa el agua y es

expulsado por el mismo orificio

Un numero de bombas acorde con las exigencias de la red

Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar el agua

en el estanque bajo.

Llaves de purga en las tuberías de drenaje.

Válvula de retención (check) en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al

tanque hidroneumático.

Conexiones flexibles para absorber las vibraciones.

Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre este y el sistema de

distribución.

Manómetro.

Válvula de seguridad.

Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima,

arranque aditivo de la bomba en turno Tablero de potencia y control de los motores.

Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático, con su correspondiente llave de paso.

1.19.1 Funcionamiento del sistema hidroneumático. [47]

Entre los diferentes sistemas de abastecimiento y distribución de agua en edificios e

instalaciones, los equipos hidroneumáticos han demostrado ser una opción eficiente y versátil,

con grandes ventajas frente a otros sistemas; este sistema evita construir tanques elevados,

colocando un sistema de tanques parcialmente llenos con aire a presión.

Esto hace que la red hidráulica mantenga una presión excelente, mejorando el

funcionamiento de lavadoras, filtros, regaderas, llenado rápido de depósitos en excusado,

IPN-ESIME

49

operaciones de fluxómetros, riego por aspersión, entre otros; demostrando así la importancia de

estos sistemas en diferentes áreas de aplicación.

Así mismo evita la acumulación de sarro en tuberías por flujo a bajas velocidades. Este

sistema no requiere tanques ni red hidráulica de distribución en las azoteas de los edificios

(evitando problemas de humedades por fugas en la red) que dan tan mal aspecto a las

fachadas y quedando este espacio libre para diferentes usos.

Los sistemas hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad

del aire cuando es sometido a presión, funcionando de la siguiente manera:

El agua que es suministrada desde el ramal público u otra fuente, es retenida en un

tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de bombas, será impulsada a un

recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), que

posee volúmenes variables de agua y aire.

Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, se comprime el aire y

aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados Presión

máxima, se produce la señal de parada de bomba y el tanque queda en la capacidad de

abastecer la red; cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos Presión

mínima. Se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente. Como se observa la

presión varía entre Presión máxima y Presión mínima, y las bombas prenden y apagan

continuamente. El diseño del sistema debe considerar un tiempo mínimo entre los encendidos

de las bombas conforme a sus especificaciones, un nivel de presión mínima conforme al

requerimiento de presión de instalación y un Presión máxima, que sea tolerable por la

instalación, proporcionando una buena calidad de servicio.[48]

Desde la apertura del consumo hasta que la bomba comienza de nuevo a funcionar, es

donde se utiliza el tanque hidroneumático como reserva, evita que ante pequeños consumos la

bomba deba arrancar y parar, su principal función es espaciar los arranques de la bomba.[48]

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50

Figura 12. Grupo de bombeo con hidroneumático. [49]

1.20 Historia de los sistemas hidroneumáticos [50]

HIDRONEUMÁTICO APCO®.

El sistema fue diseñado por el Dr. Carlos Farías de la Garza, figura 13, el cual consta de

un tanque de placa acero con tapas semi – elípticas y conexiones para entrada y salida del flujo

y un control de nivel; además tiene un pequeño tanque (con respecto al tanque principal)

llamado hidropistón que determina la entrada de aire por ciclo al sistema y una serie de válvulas

check y solenoides.

Cuando se pone en funcionamiento el sistema se llena por completo de agua,

incluyendo el hidropistón y el tanque, entonces se paran las bombas y se abre la válvula

solenoide que deja salir el agua acumulada en el hidropistón llenándolo simultáneamente de

aire, cuando vuelven a arrancar las bombas el aire atrapado en el hidropistón es inyectado

dentro del tanque y queda acumulado, el control de nivel determina la apertura de válvulas del

sistema de admisión de aire por lo que no siempre se inyecta aire para evitar que este ingrese a

la red.

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51

Figura 13.- Esquema del sistema APCO. [50]

Hidroneumático con Compresor.

Como el de la figura 14, Se usa el mismo tipo de tanque solo que el sistema de

inyección de aire es por medio de un compresor, así el control de nivel y una serie de

electrodos de nivel colocados en el tanque se encargan de realizar las secuencia de inyección

de aire para mantener el colchón necesario y proveer de presión a la red. El nivel de aire en el

tanque se mantiene dentro del rango de 50% a 60%. Después el tablero de control se encarga

de realizar las secuencias de arranque y paro de las bombas y el compresor.

IPN-ESIME

52

Figura 14.- Esquema de hidroneumatico con compresor [50]

Causas del reemplazo y actualización de los sistemas hidroneumáticos.

La utilización de hidroneumáticos con tanque convencional se inició desde los años 50´s

y aun se siguen instalando en menor escala, ya que han habido cambios significativos en los

diseños de los tanques que utilizan nuevas tecnologías. Entre las principales razones que se

suscitaron para cambiar los tanques convencionales fueron que en estos, el agua estaba en

contacto directo con el aire lo que generaba que el agua después de varios ciclos de operación

se contaminara con bacterias, polvo y residuos de aceite del compresor, a demás de que

cuando los sistemas eran de alta presión se producía una especie de suspensión de aire –

agua (espuma finísima) que llegaba a ingresar al sistema y producía efectos negativos en la red

así como corrosión interna del tanque que obligaba a cambiarlo casi siempre entre los 5 y 7

años. Por la parte del mantenimiento, los sistemas de control electromecánico de los niveles del

tanque y de la presión eran muy complicados y se debía mantener un estricto programa de

revisión de cada uno de ellos por lo que elevaba el costo ya que los electrodos de nivel estaban

expuestos a altos grados de corrosión y los contactos de control había que reemplazarlos

constantemente. Otra de sus desventajas es el gran tamaño del equipo lo que representa una

gran área que se debe asignar al cuarto de máquinas y que podía haber sido aprovechada para

otras aplicaciones.

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53

Hidroneumático con Tanque Precargado.

Surgieron los tanques precargados o presurizados. A estos sistemas se les llamo

Sistemas hidroneumáticos de aire cautivo, que basan su funcionamiento en el almacenamiento

de aire en una cámara hermética flexible, así el aire quedaba aislado del sistema y se evitaba

toda clase de contaminaciones, además el tanque en su interior viene revestido por lo que el

metal nunca está en contacto con el agua.

Figura 15.- Esquema de sistema hidroneumático con tanque de diafragma [50]

En la actualidad existen dos tipos de tanques presurizados, los de diafragma figura 15 y

los de membrana figura 16; los tanques de diafragma están fabricados de dos partes soldadas

por la parte media, en una mitad se les coloca la membrana sujeta por un arillo engargolado en

su interior y después es cerrado y soldado. De fábrica son precargados de aire a una presión

específica, cuando son puestos en operación se calibran según las condiciones de operación

del sistema, es entonces cuando el aire ocupa todo el espacio disponible en el tanque y cuando

entra en operación la bomba, se comienza a llenar al mismo tiempo que la red. Este tipo de

IPN-ESIME

54

tanques se utiliza en sistemas de baja demanda de gasto y presiones de operación medias o

bajas. Esto hace que este tipo de tanques sean solo de aplicación doméstica o comercial.

Cuando se tienen sistemas de altas demandas de gasto y presiones medias o altas es

necesario utilizar tanques de membrana, ya que su diseño permite mayores extracciones y altas

capacidades de descarga; la membrana es una bolsa sintética altamente elástica en donde se

mantiene cautivo el aire o agua también a una determinada presión, cuando el tanque está

vacío de agua la membrana cubre todas las paredes del tanque y cuando la bomba entra en

operación el agua vuelve a la membrana y comienza a presionar hasta que admite el agua

necesaria.

Los tanques de membrana suelen fabricarse en todos los tamaños lo que permite

aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. A demás la mayoría de los fabricantes

diseñan sus tanques con membranas intercambiables, lo que hace que su ventaja sean las

membranas de repuesto. En un tanque de diafragma, cuando el diafragma sufre una

perforación, tiene que desecharse el tanque completo aunque esté en buenas condiciones (sin

corrosión), en cambio los tanques de membrana solo se necesita sustituir la membrana para

que vuelva a funcionar correctamente. Algunos diseños están fabricados de plástico altamente

resistente a la tracción y a la corrosión y están recubiertos por capas de fibra de vidrio

especialmente colocadas para aumentar su presión de trabajo, estos tanques suelen ser una

opción muy eficiente ya que nunca se corroen, no necesitan de ningún control de nivel, ya que

va implícito en su diseño, no contaminan el agua por no tener partes metálicas en contacto con

ella, debido a su forma de trabajar los tamaños se reducen necesitando así un menor espacio

en el cuarto de máquinas que su homólogo convencional para la misma capacidad de diseño

del sistema.

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55

Figura 16.- Esquema de sistema hidroneumático con tanque de membrana [50]

1.20.1 Mantenimiento a equipos hidroneumáticos.

El mantenimiento a estos equipos es indispensable. Para un correcto funcionamiento de estos

tanques y con la finalidad de prolongar su vida y la de las bombas.

Hacer drenes del agua acumulada en el tanque de forma semestral.

Verificar la precarga del tanque al menos cada año.

Verificación del correcto almacenaje del agua dentro del tanque, acción que se lleva a

cabo cerrando la válvula de descarga a los servicios.

En el caso de los tanques de acero, la pintura que lo recubre, no debe presentar

desprendimiento ya que este es un factor por el cual comienza la oxidación en la

superficie de estos equipos.

Cuando no se vaya a utilizar su equipo hidroneumático por periodos prolongados,

desagüe la caja de la bomba y las tuberías y desconecte el interruptor eléctrico, libere

toda la presión acumulada y purgue el tanque.

Para evitar el desgaste prematuro de labomba y el consumo excesivo de energía, revisar

cada 3 meses aproximadamente la Presión de aire de su tanque usando un calibrador de

llantas (gauge) aplicando a la válvula de carga/descarga.[51]

La presión correcta debe ser de 2 a 4 PSI por debajo de la presión de arranque de la

bomba.

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56

1.20.2 Marcas de sistemas hidroneumáticos disponibles en México

Marcas de elementos disponibles en México y sus características

Elemento: Tanque hidroneumático

Características: fabricados en acero y en fibra de vidrio, su funcionamiento puede ser con

membrana y con diafragma.

Marcas:

Pedrollo

Myers

Altamira

Evans

Well Mate

Aquor

Elemento: Interruptor de presión

Características: Interruptor de mirilla y cerrado

Marcas:

Squared,

Sagynomiya,

Altamira,

Danfoss,

Elemento: bomba

Característica: centrifugas sumergibles, hydrojet, periféricas

Marcas:

Picsa,

Barnes,

siemens,

pedrollo,

Saer,

Aquor,

Bonasa,

Fyla

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57

1.21 Criterios de Instalación de sistemas hidráulicos con tanque hidroneumático.

Localización

La localización del equipo debe ser considerado de acuerdo a la arquitectura y

condiciones del lugar, así como las condiciones que prevalecerán en la operación. Evitar la

intemperie es lo ideal para la conservación figura 17 y buen funcionamiento pero no debe

localizarse a más de 3 metros de la cisterna o tinaco según requiera la instalación y el inmueble

y evitar la humedad, debe contar con cierto grado de control para el acceso de personas al área

para evitar que sea manipulado por personal no calificado.

Figura 17. Equipo hidroneumático techado de manera adecuada [47]

Instalación equipo

hidroneumático

Localización

Accesorios

Elementos

Instalación

eléctrica

Techado/cuarto de máquina

Nivelado

Tubería de succión

Tubería de descarga

Tanque precargado Presostato

Bomba

Manómetro

Válvula de pie o pichancha

Válvula check

Válvulas de paso Juntas de expansión

Tuercas unión

Alimentación

Eléctrica

Tablero

de control

Electronivel

Pastilla térmica

Contactor

Relevador

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58

El proteger los tanques hidroneumáticos de la intemperie es imperante en cuanto la

prolongación de la vida de la bomba y del tanque. Ya que el tanque al estar expuesto por

tiempos muy prolongados a los rayos del sol pueden ir degradando la pintura del tanque y

cambiar el comportamiento de la membrana y si no se cubre del agua la bomba pudiese sufrir

algún daño.

La ubicación del equipo hidroneumático debe ser el indicado para la realización de

mantenimiento del equipo, de fácil acceso y maniobrabilidad para de esta manera poder retirar

tanto la bomba o el tanque según sea el caso con la mayor prontitud, además de poder

maniobrar el interruptor de presión (reemplazo o mantenimiento) y tomar las lecturas del

manómetro.

Figura 18. Facilidad de maniobra que ofrece este cuarto de bombas es adecuada en cuanto al espacio para poder retirar la bomba

Nivelación

Las líneas de centros de la succión y la descarga sirven de referencia para nivelar la bomba,

en el caso del tanque la utilización de un nivel colocado en las paredes es suficiente.

Figura 19. Detalle de la nivelación de la línea de succión y la línea de la descarga [52]

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59

Figura 20. Tanque hidroneumático no debe presentar inclinaciones ya sea que el tanque sea vertical u horizontal [53]

Tanque Hidroneumático

Se colocan en la posición indicada por el fabricante, generalmente en vacio contienen

aire precargado a 30 psi (lb/plg2)y no debe operar a menos de 25 psi (lb/plg2)de presión en

vacio ni a más de 70 psi (lb/plg2)en la operación, se tiene que verificar que el tanque no

presente abolladuras, golpes o raspaduras, tiene que anclarse al piso para que en caso de

inundación este no ejerza fuerzas sobre las tuberías o provoque un daño mayor, la base donde

estará montado debe estar alineado y considerar el gasto hidráulico para seleccionar la

capacidad del tanque en función de la demanda y la presión requerida del cálculo hidráulico

para la instalación. En caso de contar con tanques de membrana se tiene que verificar que la

membrana no se encuentre torcida ya que esto puede ocasionar que se rompa y no

proporcionar la presión y funcionamiento adecuado. Considere una tuerca unión para acoplarlo

a la red hidráulica.

Figura 21. Tipos de tanque hidroneumático a) membrana intercambiable, [54] b) de diafragma. [55]

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60

Tubería de Succión y Descarga

La tubería de la cisterna hasta la bomba debe ser de lo más corta posible pero no menor

a cinco veces el diámetro de la succión con el mínimo de accesorios y vueltas posibles para

mantener las perdidas por fricción al mínimo, el diámetro debe ser igual o un poco mayor a la

succión o descarga de la bomba, si se utiliza una reducción, esta debe ser excéntrica ya que si

concéntrica solo se podrá utilizar en posición vertical; de ser posible utilizar codos de radio

amplio, los codos estándar de 90º también pueden sustituirse por un par de codos de 45º.

Nunca se deberán conectar los codos directamente a la boquilla de succión ya que esto

producirá una mala distribución del agua dentro del impulsor. Todas las líneas deben estar

alineadas horizontal o verticalmente y se deben evitar arreglos hidráulicos que provoquen

bolsas de aire en la tubería. [55]. Cuando existan jarros de agua deberán clausurarse y se

recomienda que a todas las conexiones roscadas se les coloque cinta teflón o selladores para

roscas comerciales, la tubería puede ser de PVC, CPVC, cobre, fierro galvanizado o PPR cada

uno presenta sus ventajas y desventajas que deberán ser evaluados por el proyectista para que

la selección considere los aspectos técnicos, de costos y mantenimiento; para el caso de las

conexiones de PVC o CPVC no deberán apretarse en exceso ya que una pequeña fisura podrá

ocasionar que la pieza de debilite y provoque una fuga.

La observación de evitar las bolsas de aire en la tubería de succión es debido a que

estas afectan el adecuado funcionamiento de los equipos de bombeo, a continuación se

mencionan algunos de los problemas causados por las bolsas de aire así como las

recomendaciones pertinentes para que no existan.

Problemas relacionados con la presencia de aire en las tuberías [57].

Bolsas de aire: En la práctica se entiende por bolsas de aire como la acumulación de

aire en algún punto de la trayectoria de la tubería, acumulación que en cierto tiempo forma

cavidades o “bolsas” de aire.

Reducción de la sección efectiva de la tubería: El aire se va concentrando en las

tuberías y accesorios, en forma de bolsas. Estas bolsas se localizan generalmente en los

puntos altos de la conducción, reduciendo la sección de paso y produciendo los siguientes

efectos: reducción de la capacidad de trasporte en la tubería, incremento de las pérdidas de

carga, y posibilidad de producirse cavitación.

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61

Se requerirá una mayor presión con una menor eficiencia de las bombas y, en

determinados casos, el bombeo no será capaz de suministrar la mayor presión requerida para

vencer las bolsas de aire, con lo que el flujo del sistema se detendrá totalmente. En

conducciones a presión, no impulsadas (por gravedad), la influencia de las bolsas de aire en las

características del flujo es mayor que en las impulsadas, ya que no hay posibilidad de aplicar

una sobrepresión.

Rotura de tuberías por sobrepresión: La existencia de aire puede producir aumentos

drásticos de presión que produzcan la rotura de las tuberías.

Colapso de tuberías por succión: El vaciado rápido de una tubería, intencionada o

accidental (rotura, etc.), crea succión y vacío dentro de la misma, pudiendo dañar la estructura

física de la tubería y, en casos externos, provocar su rotura por aplastamiento.

Cavitación: Al pasar el agua a través de los accesorios de las tuberías, la velocidad de

circulación aumenta debido a la reducción de la sección, lo que provoca una caída de presión

local y la formación de burbujas de vapor. Cuando las condiciones de flujo vuelven a

normalizarse, las burbujas se colapsan, liberando grandes cantidades de energía y provocando

erosiones importantes en los elementos de su entorno. Causando daños considerables a los

impulsores de las bombas.

Figura 22. Efectos de las bolsas de aire en la tubería de succión. [58]

Las mencionadas bolsas de aire pueden evitarse tomando en consideración los siguientes

aspectos en la instalación de las bombas.

Las tuberías de aspiración o succión deben montarse horizontalmente o estar inclinadas hacia

arriba con respecto a la bomba. Deben estar completamente libres de fugas y admitir una purga

IPN-ESIME

62

completa. Si se necesitan reductores de sección cónica, deben ser de tipo excéntrico. Evitar

cambios bruscos en la sección de la tubería y codos de radio reducido. Válvulas de

estrangulamiento en la tubería de succión. Mantener la tubería de succión mas corta y directa

posible evitando colocar codos en diferentes planos justo antes de la entrada a la bomba.

Figura 23. Instalación correcta de la línea de succión. [53]

Figura 24. Instalación incorrecta de la línea de succión, la cual provoca las bolsas de aire en la línea de succión. [60]

Válvulas

Para las succiones negativas se utilizarán las válvulas de pie con un colador para evitar

la introducción de sólidos al impulsor o tanque que los pueda dañar. En el caso de tener una

succión positiva no necesariamente requiere una válvula de pie.

Se deberá instalar una válvula check en la línea de descarga de la bomba para evitar

que el agua regrese al impulsor, la utilización de válvulas de compuerta deben evitarse en la

succión para reducir las pérdidas por fricción, no obstante son requeridas en la línea de

descarga después de la válvula check y se recomienda instalarlas teniendo la posición del

vástago horizontal o hacia abajo para evitar las bolsas de aire en las líneas.

BOLSA DE AIRE

BOLSA DE AIRE

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63

Figura 25. Tipos de válvula de pie o pichancha, a) pichancha con rejilla metálica, actúa por fuerza del agua para cerrar b)

pichancha con rejilla plastificada, actúa por medio de resorte para cerrar. [61]

Figura 26. Tipos de válvula de retorno, a) check o válvula de retorno a con resorte, roscable , absorbe el ruido y el golpeteo

causado en el arranque y paro del equipo hidroneumático b) check o válvula de retorno similar a la del inciso a, esta es encontrada

en las industrias, también es roscable, c) check o válvula de retorno de columpio, roscables pero son muy ruidosas con el golpeteo

del equipo hidroneumático. [62]

Juntas de expansión

Son utilizadas cuando no es posible alinear las tubería por ejemplo en una junta

constructiva, también ayudan cuando existen efectos de dilatación y contracción de las tuberías

por factores como el calor, vibraciones o el mismo golpe de ariete. Puede instalarse en las

líneas de succión o descarga siempre y cuando estas estén sujetas perfectamente.

Figura 27. Tipos juntas de expansión [63]

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64

Figura 28. Instalación correcta de las juntas de expansión y la absorción de la vibración [64]

Alimentación Eléctrica

Se deben considerar los datos eléctricos de la bomba como son: voltaje de operación,

consumo de corriente nominal y tipo de conexión. La línea de alimentación debe cumplir con los

requerimientos de la NOM 001-SEDE 2004 y colocar los tomacorrientes tanto como sea posible

cercanos a la instalación de la Bomba.

Cuando la bomba sea de conexión trifásica debe verificarse que el giro del impulsor sea

el correcto y en caso contrario se puede corregir cambiando de posición a dos de las fases que

alimentan la bomba. Contará con su sistema de protección termo magnético y fusibles para

restablecer la bomba en caso de sobrecarga o falla en el suministro de energía eléctrica.

Figura 29. Elementos de protección eléctrica a) gabinete para fusibles, b) termo magnético, c) contactor, d) relevador de sobre

carga. [65]

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65

Switch de Presión para tanques hidroneumáticos. (Presostato)

Es el elemento que controla el arranque y paro de las bombas en función de la caída de

presión que se presenta en el sistema y el rango al que esta calibrado en la línea, se

recomienda instalarlo justo a la entrada de la red de servicio junto al tanque y los rangos

generalmente son de 20 a 40psi, 30 a 50 psi y 40 a 60 psi. Debe contar con su tapa que ayuda

a mantener los contactos libres de polvo y humedad.

Figura 30. Tipos de interruptores de presión del mercado a) cerrados y b) de mirilla [66]

Peras o Electro niveles

Estos elementos sirven para proteger la bomba en caso de que el agua se acabe dentro

de la cisterna, cuando el espejo de agua este por debajo de los niveles de las peras o electro

niveles abrirá el circuito de control para que la bomba no opere en vacio y esta se sobrecaliente

y pueda provocar daños en los devanados de la bomba o se active alguno de los elementos

térmicos del sistema.

Se pueden colocar una o dos peras una superior y una inferior para los electrodos hay

que considerar que son las sales las que permiten que el circuito permanezca cerrado por lo

que en caso de que no funcionen se deben reemplazarse por peras. El nivel bajo puede

colocarse a 10 cm arriba de la válvula de pie o de la succión dentro de la cisterna y el nivel alto

a 20 cm abajo del nivel inferior de la válvula de cierre o tubería de llenado superior.

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66

Figura 31. Interruptor eléctrico llamado peras de nivel [67]

Tableros de Control

Algunos equipos cuentan con tableros de control que sirve para que alternen u operen

simultáneamente dos bombas según sea la programación. Todos los elementos deberán estar

contenidos dentro de un tablero NEMA a prueba de polvo con un selector Automático-Manual-

Paro. Los arrancadores tiene que contar con su relevador de sobre carga y sistemas de

protección termo magnético.

Figura 32. Muestra un arrancador y un tablero de control armado. [68 ]

1.22 Recomendaciones de instalaciones de equipos hidroneumáticos. [69]

El lugar donde se instalará su equipo hidroneumático debe cumplir con las siguientes

características:

Debe colocarse lo más cerca posible del tinaco u otro tipo de abastecimiento de agua.

Debe existir espacio suficiente para la instalación y mantenimiento de la bomba, el

tanque y sus conexiones. (La succión no debe exceder más de 5 metros. de altura del espejo

de agua). Instale el equipo lo más cerca del espejo de agua.

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67

El motor de la bomba debe quedar protegido de la lluvia directa. De preferencia,

recomendamos que todo el equipo quede bajo techo, aislado de los rayos solares (no es

recomendable instalarlo en cocheras abiertas o a la intemperie).

Se debe procurar el instalar el equipo en un lugar protegido, lejos del alcance de los

ladrones y vándalos que puedan robarlo o perjudicarlo.

Para evitar posibles fugas en el equipo hidroneumático, se recomienda utilizar cinta de

teflón (o cemento para tubería de agua) en las roscas de cada uno de los accesorios que va a

ensamblar, así como en la tubería de abastecimiento y descarga.

Realizar las conexiones de la tubería de acuerdo al diagrama de instalación requerido,

según las necesidades del sistema. No olvidar los nudos o tuerca unión ni válvulas check.

Recordar que el diámetro de la tubería debe ser el mismo que el diámetro de descarga

de la bomba, se recomienda utilizar tubería nueva.

Utilizar tubería de diámetro mayor o igual al del orificio de succión de la bomba y nunca menor.

Tener cuidado de no enroscar demasiado las conexiones de tubos o niples que van en la

succión y la descarga de la bomba (apretar a mano y luego, con herramienta 1½ vuelta mas).

Colocar el tanque hidroneumático en el lugar que haya destinado y al nivel requerido.

Asegurarse de que el tanque se localice lo más cerca posible del interruptor de presión para

reducir las diferencias de pérdidas por fricción, elevación y falsas señales.

Conectar el tanque al suministro de agua con una válvula check y a la descarga de la

bomba, utilizando la configuración de conexiones más simple. Verificar que la instalación

siempre cumpla con las normas establecidas para redes hidráulicas.

Siempre instalar en la parte inferior del tubo de succión una válvula de pie (pichancha)

de diámetro mayor o igual a la de la succión de la bomba nunca menor.

IPN-ESIME

68

La instalación de la tubería siempre debe diseñarse en un circuito cerrado; en el caso de

una instalación con tinaco, asegúrese de clausurar los jarros del aire. Se recomienda instalar un

retorno para realizar las pruebas del funcionamiento y no desperdiciar agua.

Para la instalación de la bomba verificar en la placa de su motor que voltaje debe de

utilizar, que amperaje consume y como hacer las debidas conexiones indicadas en la placa.

Antes de instalar el suministro eléctrico al equipo hidroneumático, debe asegurarse de

conocer los procedimientos adecuados para manejar la corriente eléctrica.

Recuerde utilizar cable adecuado al amperaje del motor (monofásico/bifásico/ trifásico)

para hacer la conexión al sistema.

Seleccione apropiadamente el cable que va a utilizar, dependiendo de la distancia a que

se encuentra la toma de corriente y el amperaje (consumo de corriente del motor).

IPN-ESIME

69

_______________________________

Capítulo 2

DESCRIPCION DE LOS PROCEDIMIENTOS DEL CÁLCULO Y

SELECCIÓN DE EQUIPOS HIDRONEUMATICOS

UTILIZADOS POR DOS EMPRESAS REPRESENTATIVAS DEDICADAS A

ESTE GIRO 2.1 Procedimiento General de cálculo de sistemas hidroneumáticos

Descripción del procedimiento.

Es de suma importancia considerar un procedimiento normalizado para el cálculo y la

selección de sistemas hidroneumáticos en el cual se tomen en cuenta todos los aspectos

necesarios para hacerlo de manera correcta ya que de no ser así habrá mucha diferencia en las

dimensiones de los equipos. Siendo este un factor determinante en la adquisición,

comportamiento y rendimiento de un sistema de este tipo.

A continuación se presenta un diagrama de flujo que muestra de forma general el

procedimiento del cálculo y selección de estos sistemas partiendo de los datos que se pueden

obtener de planos o de un previo levantamiento, esto con el fin de comparar los dos

procedimientos que son utilizados por dos empresas que se dedican al cálculo y selección así

como a la venta instalación y mantenimiento de estos sistemas y de esta forma poder tener una

idea más clara de los pasos que se deben seguir para calcular y seleccionar de la manera más

acertada.

IPN-ESIME

70

Esquema 1.- Procedimiento general en el cálculo y selección de sistemas hidroneumáticos en las 2 empresas.

INSTALACIÓN RESIDENCIAL

NO. DE SERVICIOS

CONSUMO

ISOMÉTRICO o PLANO

CÁLCULO CON LOS DOS

PROCEDIMIENTOS

CÁLCULO

EMPRESA 1 CÁLCULO

EMPRESA 2

SELECCIÓN EQUIPO

HIDRONEUMÁTICO

COMPARACIÓN DE

RESULTADOS

IPN-ESIME

71

2.2 Procedimiento de cálculo y selección de sistema hidroneumático con tanque

de diafragma utilizado en Empresa 1. [70]

2.2.1 Cálculo del gasto requerido por el sistema

Con la finalidad de obtener dicho el gasto es necesario tener conocimiento real del sistema

sobre el cual se va a trabajar, para ello se deben de obtener la siguiente información:

1. El número de muebles que constituyen el sistema

2. Determinar si en el total de muebles predomina el funcionamiento con

Tanque de descarga o con fluxómetro.

Tipo de servicio público o privado

El porcentaje máximo de utilización en forma simultanea

Número de unidades mueble (UM) que consume cada mueble

Equivalencia de los muebles en unidades de gasto (lpm)

Presiones y gasto promedio para el funcionamiento correcto de muebles.

2.2.2 Cálculo de la carga dinámica total

Para calcular la carga dinámica total se debe conocer lo siguiente:

Gasto de la bomba

Cargas estáticas

Diámetro de tubería

Longitudes de tubería, tanto horizontal como vertical

La carga dinámica total se define como:

(Ecuación 33)

Donde :

Pop= presión de operación (presión con la que se debe trabajar en el equipo (requerido

por el sistema)

Z2-Z1=suma algebraica de las cargas estáticas, tomando un nivel de referencia. (Altura

física)

= perdidas por fricción producidas en la succión y la descarga de la bomba, mediante

la expresión:

IPN-ESIME

72

= f/100 (longitud total de tubo+ suma de longitud equivalente de todos los accesorios

de tablas) factor de envejecimiento

=

(Ecuación 34)

Estos datos parten de la ecuación de Bernoulli, como se presenta en la siguiente desglose:

(Ecuación 35)

Se considera que la presión es igual a la presión manométrica, la cual es 0.

Entonces

(Ecuación 36)

Y como

Entonces, sustituyendo:

(Ecuación 37)

Y como:

(Ecuación 38)

Despejando:

(Ecuación 39)

(Ecuación 40)

Potencia de la bomba:

(Ecuación 41)

ó

ó (Ecuación 42)

C.E.T. o

ó (Ecuación 43)

IPN-ESIME

73

(Ecuación 44)

(Ecuación 45)

(Ecuación 46)

Figura33.- Las Figuras a) b) y c) muestran los casos de succión y descarga de la bomba a) el caso de la elevación estática, b) y c)

son de la carga estática y sus dos posibles variables.

C.E.T.

P. atm

P. atm

E.E.T.

P. atm

P. atm

C.E.T.

P. atm

P. atm

b)

c)

a)

IPN-ESIME

74

En el caso de las bombas centrifugas la velocidad de succión debe ser según las normas:

0.5 < Vsuccion< 1.5 m/s

La velocidad de descarga debe ser según norma:

2 m/s < Vdescarga < 3m/s

Este factor de envejecimiento, se aplica como un porcentaje adicional para absorber

cualquier incremento de pérdidas por fricción que puedan generarse a futuro, cuando el

diámetro interior haya disminuido, o bien cuando la tubería es muy antigua.

Para obtener el dato general, sin ser totalmente exacto, pero funcional, cubriendo en

este, todos los servicios y posibles pérdidas. La ecuación se modifica de la siguiente manera

=

(Ecuación 47)

Descripción de los valores 1.20, 1.10 y 1.15

1.2 Factor de envejecimiento en la tubería

1.1 Factor aproximado de los accesorios

1.15 Factor de conexiones

En Tabla 9.- factores para cálculo de las perdidas

El factor f es obtenido de la Tabla 10 a partir del diámetro de tubería principal o ramal y

el caudal de diseño.

Diámetro de Tubería

L/min 1/2" 3/4" 1" 1.1/4" 1.1/2" 2" 2.1/2" 3" 4" 5" 6" Gal/min

8 7.4 1.90 2

15 27.00 7.00 2.14 0.57 0.26 4

23 57.00 114.70 4.55 1.20 0.56 0.20 6

30 98.00 25.80 7.80 2.03 0.95 0.33 0.11 8

38 38.00 11.70 3.05 1.43 0.50 0.17 0.70 10

45 53.00 16.40 4.30 2.0 0.79 0.23 0.10 12

57 80.00 25.00 6.50 3.00 1.08 0.36 0.15 15

68 35.00 9.10 4.24 1.49 0.50 0.21 18

76 42.00 11.10 5.20 1.82 0.61 0.25 0.06 20

95 64.00 16.60 7.30 2.73 0.92 0.38 0.09 25

114 89.00 23.00 11.00 3.84 1.20 0.54 0.13 0.04 30

132 31.20 14.70 5.10 1.72 0.71 0.17 0.06 35

151 40.00 18.80 6.60 2.20 0.91 0.22 0.08 40

170 50.00 23.20 8.20 2.80 1.15 0.28 0.09 45

189 60.00 28.40 9.90 3.32 1.38 0.34 0.11 0.04 50

IPN-ESIME

75

208 72.00 34.00 11.80 4.01 1.58 0.41 0.14 0.05 55

227 85.00 39.60 13.90 4.65 1.92 0.47 0.16 0.06 60

246 99.70 45.90 16.10 5.40 2.16 0.53 0.19 0.07 65

265 53.00 18.40 6.10 2.57 0.67 0.21 0.08 70

284 60.00 20.90 7.20 3.00 0.73 0.24 0.10 75

303 68.00 23.70 7.90 3.28 0.81 0.27 0.11 80

322 75.00 26.50 8.10 3.54 0.91 0.31 0.12 85

341 84.00 29.40 9.80 4.08 1.00 0.34 0.14 90

360 93.00 32.60 10.80 4.33 1.12 0.38 0.15 95

379 35.80 12.00 4.96 1.22 0.41 0.17 100

416 42.90 14.50 6.00 1.46 0.49 0.21 110

454 50.00 16.80 7.00 1.67 0.58 0.24 120

492 58.00 18.70 8.10 1.97 0.67 0.27 130

530 67.00 22.30 9.20 2.28 0.76 0.32 140

568 76.00 25.50 10.50 2.62 0.88 0.36 150

606 29.00 11.80 2.91 0.98 0.40 160

644 34.10 13.30 3.26 1.08 0.45 170

681 35.70 14.00 3.61 1.22 0.50 180

719 39.60 15.50 4.01 1.35 0.55 190

757 43.10 17.80 4.40 1.48 0.62 200

833 52.00 21.30 5.20 1.77 0.73 220

908 25.10 6.20 2.08 0.87 240

984 29.10 7.20 2.41 1.00 260

1060 33.40 8.20 2.77 1.14 280

1136 38.00 9.30 3.14 1.32 300

1211 42.80 10.50 3.54 1.47 320

1287 47.90 11.70 3.97 1.62 340

Tabla 10.Perdidas por fricción por cada 100 m de tubería galvanizada fórmula de Hazen Williams. [71]

2.2.3 Selección de la bomba

Una vez que se tienen los valores de gasto y carga dinámica total, el siguiente paso es

seleccionar el equipo de bombeo correspondiente. Para ello, se necesita contar con las curvas

características de las posibles bombas que puedan cumplir para tal finalidad, y tener en cuenta

que la carga dinámica total a partir de este momento, se va a considerar como “presión de

arranque” del equipo.

Es fundamental que la bomba contemple dentro de su curva de operación este punto

para tener un funcionamiento satisfactorio del equipo, y además de este debe contar con otro

IPN-ESIME

76

punto de operación que se le llama “presión de paro” es decir, que la bomba que se haya

seleccionado deber responder a estas dos señales de presión.

Es común encontrar que el diferencial de paro es de 20 psi (diferencia entre la presión

de arranque y la de paro). Sin embargo en algunas ocasiones, este valor es de 15 psi

solamente.

2.2.4 Determinación del número de bombas en paralelo

Para saber cuál es el número de bombas, que se van a utilizar, es necesario conocer los

siguientes estándares: si el gasto a manejar va de un rango de 0-30 gpm se recomienda una

sola bomba (sistema simplex) que cumpla con el 100% de gasto y carga dinámica total, aunque

se corre el riesgo de que si falla, no habrá abastecimiento de agua.

Cuando se trata de un gasto que va de 0-150 gpm, se requerirán dos bombas (sistema

dúplex), las bombas deben cumplir con el 100% de gasto y de carga dinámica total, de esta

manera se tiene asegurado el abastecimiento de agua, ya que si una de ellas llega a fallar la

otra la remplaza, o bien cuando se tiene dos equipos, estos se pueden alternar y simultanear

siempre y cuando se presente una caída de presión en el sistema, mayor a lo establecido

previamente.Si el gasto calculado es de 0-300 gpm entonces se requieren tres bombas

(sistema triplex ), en este caso, cada bomba debe de cumplir con el 50% de gasto y el 100% de

la carga dinámica total, de tal forma que para obtener el total de gasto se requerirán dos

bombas en forma simultánea, quedando la tercera de reserva.

Figura 34. Bombas en paralelo

[72]

IPN-ESIME

77

2.2.5 Cálculo de la capacidad del tanque hidroneumático.

Para tener completo el equipo solo falta la capacidad del tanque, para esto se debe conocer la

siguiente información:

1. Gasto de la bomba

2. Tiempo de operación de la bomba

3. Presión de arranque

4. Presión de paro

Considere la siguiente expresión

(Ecuación 48)

Donde:

V = Volumen total del tanque en l

Q = Gasto de la bomba en lpm

Tc = Tiempo de operación de la bomba o tiempo de corrido adimensional

F.A. = Factor de aceptación adimensional

Es importante hacer mención que el tiempo de corrido oscila entre 1 y 2 minutos dependiendo

de la potencia de la bomba tal como lo estipula la firma Amtrol Inc. (fabricante de equipos

hidroneumáticos); esto con la finalidad de poder dar un mayor descanso al equipo y con ello

lograremos el enfriamiento del motor, se reducirá el desgaste de la bomba y el consumo de

energía eléctrica, pues, las puestas en marcha del equipo serán menores. También podemos

agregar que este tiempo puede ser a criterio de cada sistema, ya que algunas veces se trata de

más de una bomba.

El producto de Q x Top nos indica el volumen de agua almacenado por ciclo, llamado por

Amtrol SPE VOLUMEN (spe= sistema de protección efectiva tomando en consideración un

tiempo de 1 minuto para bombas hasta de ¾ hp y 2 minutos para bombas de 1hp y mayores)

Por último, el factor de aceptación se define como el porcentaje de volumen utilizado del

tanque, para almacenar agua entre “las presiones de arranque y paro”. Este se calcula

mediante la siguiente expresión:

IPN-ESIME

78

(Ecuación 49)

La presión de arranque es la presión mínima a la que trabajara el equipo hidroneumático,

siendo este el valor mínimo del presostato o interruptor de presión, es también la presión

mínima requerida en el mueble más desfavorable.

Presión de Paro es la presión máxima que debe trabajar el equipo, esto es por seguridad, para

no llegar a una sobrepresión en el interior del tanque, así como para dar un descanso al equipo

de bombeo.

Después de obtener el valor de volumen total, se compara con aquellos tanques que se

manejan de línea, y se selecciona el más próximo al volumen total calculado.

En algunos casos, el volumen calculado es muy grande, cuando esto sucede, se divide entre el

volumen del tanque existente.

2.2.6 Procedimiento de cálculo y selección de sistema hidroneumático con tanque

de membrana utilizada en Empresa 1

El diseño de un sistema de distribución de agua comienza con un atinado estimativo del

consumo. Por ello se presentan tablas utilizadas como herramienta para determinar el caudal

requerido según el tipo de aparatos o servicios con los que cuenta la instalación.

Consumos Típicos en Residencias.

Una manera de establecer le caudal necesario para un residencia, conforme el número de

baños, se muestra en la Tabla 11 dicho gasto considera cocina, zona de lavandería y baño

completo con lavabo, sanitario, tina o bidet y ducha.

IPN-ESIME

79

Tabla 11. Gasto estimado en residencias [73]

La otra forma de saber el gasto es por medio del Método de Hunter (ya descrito, incluyendo

Tablas 4 y 5 del capítulo 1).

De ahí existen dos formas de seleccionar el tanque a través del uso de la siguiente herramienta

(cabe mencionar que es muy similar al procedimiento utilizado por la empresa 2, solo que en

este caso se explica de forma precisa y rápida):

Para determinar el tamaño de un tanque precargado se deben conocer los siguientes

parámetros:

Σ la presión de encendido y apagado del equipo (psi)

Σ demanda máxima de agua (L/min)

Σ Potencia de la bomba a ser empleada (HP)

Para evitar un número excesivo de arranques y paradas, la expresión ha demostrado que el

volumen útil del tanque precargado tiene relación con el requerimiento máximo de agua de la

instalación y con la potencia de la bomba.

En la tabla 12 Se indica el factor de multiplicación K correspondiente a las diferentes potencias

de las bombas para hallar el volumen útil.

potencia HP 0.5 0.75 1 1.5 2 3 4 5.5 7.5 10 12.5

k 0.2 0.21 0.23 0.26 0.29 0.35 0.41 0.51 0.63 0.79 0.94

Tabla 12. Factor a partir del HP de la bomba [74]

De donde se tiene que, el volumen útil se establece por la siguiente relación:

Volumen útil =

Consumo típico en residencias

numero de baños gasto requerido

L.P.M. G.P.M.

1 baño 19 5

2 baños 34 9

3 baños 45 12

4 baños 57 15

5 baños 72 19

6 baños 87 23

IPN-ESIME

80

Dónde:

Q= Caudal (L/min)

K= factor

Para determinar el tamaño del tanque es necesario consultar la tabla 13 en la columna que

corresponde al rango de presión de rango presión de trabajo requerido (presión de encendido y

apagado de la bomba), se ubica el volumen útil de agua igual o inmediatamente superior al

calculado y así se podrá leer del lado izquierdo el volumen del tanque precargado para cubrir

los requerimientos.

Importante: no se debe olvidar sincronizar la presión de precarga del tanque, la cual debe ser

menor que la presión de arranque de la bomba (alrededor de 3 psi por debajo)

Tabla de cálculo de tanque precargado

volumen del tanque

(L)

presión de arranque de la bomba (psi)

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

presión de parada de la bomba (psi)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

presión de precarga del tanque (psi)

17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 87 92 97

volumen útil del tanque (L)

5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.7 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.4 1.4

8 2.8 2.1 3 2.3 2.7 2.1 2.2 2.2 2.2 2.2 2.9 2.9 2.3 2.3

19 6.6 5 7.1 5.4 6.3 4.9 5.2 5.2 5.2 5.2 6.5 6.5 5 5

20 6.9 5.3 7.5 5.7 6.9 5.2 5.5 5.5 5.5 5.5 7.2 7.2 5.7 5.7

24 8.3 6.3 9 6.8 8 5.7 6 6 6 6 8.3 8.3 6.2 6.2

40 13.8 10.5 14.9 11.3 13.7 10.4 11 11 11 11 11.4 11.4 11.4 11.4

60 20 15 22 17 20 15 16 16 16 16 21 21 17 17

80 27 21 29 22 27 20 21 21 21 21 28 28 22 22

100 34 26 37 28 34 25 27 27 27 27 36 36 28 28 35 35 32.4

200 69 52 74 56 68 51 54 54 54 54 72 72 56 56 71 71 64.8

300 103 78 112 84 102 77 82 82 82 82 108 108 85 85 106 106 97.1

500 172 131 1886 141 171 129 137 137 137 137 180 180 142 142 178 178 161.9

700 241 184 261 198 240 181 192 192 192 192 252 252 199 199 249 249 226.7

1000 345 262 373 282 342 259 274 274 274 274 360 360 284 284 356 356 323.8

1400 483 368 522 396 480 362 384 384 384 384 504 504 398 398 498 498 453.3

2100 724 552 784 594 720 544 576 576 576 576 756 756 597 597 747 747 680

Tabla 13. Capacidad de tanque Pedrollo

[74]

IPN-ESIME

81

2.2.7 Procedimiento de cálculo rápido y preciso de sistemas hidroneumáticos con

tanque de membrana, desarrollado por la empresa 1.

Capacidad de la bomba:

A) Conocer el número de servicios (servicio= cada inodoro, regadera, lavaplatos, grifos etc.)

B) Caudal Necesario ya sea que el dato se obtenga de la Tabla 11 o de las Tablas de Hunter

El caudal lo obtendremos en Gpm

Para convertir de GPM a Lt/min multiplicar por 3.785

Para convertir de (Lt/min)/60 lt/seg

Altura dinámica

C) número de pisos de la construcción N, dato en metros.

Altura Estática He que se obtiene de He=Nx3 dato en metros.

D) Presión residual Pr que por información de experiencia se determina en 7m

E) Presión por fricción Pf= (He+Pr)* 0.15 , dato en metros.

F) Presión mínima total Pmin.=He+Pr+Pf en m, para convertir a psi Pmín*1.42 en psi

(recordando que esta presión es la Carga Dinamica Total del sistema y se debe

encontrar en la curva de la bomba a seleccionar)

G) Presión diferencial ya establecida como Pd=14 m

H) Presión máxima total Pmáx.= Pmin+Pd en m, para convertir a psi Pmáx*1.42 en psi. (se

debe encontrar dentro de la curva de funcionamiento de la bomba a utilizar).

Capacidad del tanque de presión

J) Volumen mínimo de agua en el tanque de presión (de Tabla 14) en %

K) Volumen máximo de agua en el tanque de presión (de Tabla 14) en %

L) Volumen útil de agua en el tanque de presión (de Tabla 14) en %

M) Factor para el cálculo del tamaño del tanque Fm (de Tabla 14)

N) Aporta la capacidad del tanque de presión T multiplicando Q(GPM)*Fm en galones

IPN-ESIME

82

PRESIÓN MINIMA

PRESIÓN MÁXIMA

VOLUMEN FACTOR

psi psi % mínimo % Útil % Máximo Fm

15 35 10 36.57 46.57 6.84

20 40 10 33.2 43.2 7.53

25 45 10 30.4 40.4 8.23

30 50 10 28.3 38.8 8.92

35 55 10 26 36 9.61

40 60 10 24.25 34.25 10.31

45 65 10 22.72 32.72 11

50 70 10 21.37 31.37 11.7

55 75 10 20.17 30.17 12.39

60 80 10 19.1 29.1 13.09

65 85 10 18.14 28.14 13.78

70 90 10 17.27 27.27 14.48

75 95 10 16.48 26.48 15.17

80 100 10 15.76 25.76 15.86

85 105 10 15.1 25.1 16.56

90 110 10 14.49 24.49 17.25

95 115 10 13.93 23.93 17.95

100 120 10 13.41 23.41 18.64

105 125 10 12.93 22.93 19.34

110 130 10 12.48 22.48 20.03

115 135 10 12.06 22.06 20.73

120 140 10 11.67 21.67 21.42

125 145 10 11.31 21.31 22.11

130 150 10 10.96 20.96 22.81

135 155 10 10.64 20.64 23.5

140 160 10 10.33 20.33 24.2

Tabla 14. Factor para dimensionar tanque Pedrollo [75]

2.3 Procedimiento de cálculo de sistemas hidroneumáticos con tanque de

membrana utilizado en la Empresa 2.

En la Empresa 2 se desarrollan proyectos de equipos de bombeo, equipos

hidroneumáticos, el cálculo y selección para proyectos de ingeniería, la comercialización,

instalación, mantenimiento de estos equipos, así como la venta e instalación de todos los

accesorios de un sistema llámese tablero de control, presostato hasta la membrana de algún

IPN-ESIME

83

tanque, cubriendo así las áreas de hidráulica y eléctrica. Cuenta con un amplio prestigio entre

sus clientes.

Se encuentra en un campo virgen ya que el mercado de quien calcula y dimensiona un

proyecto de un sistema hidroneumático no ha atraído la mirada de las firmas de ingeniería. Al

ser la Empresa 2 una Pyme, tiene la capacidad de entrar a las casas y vender lo mas valioso,

los valores agregados a la ingeniería. En los libros de ventas se dice que la base o mina de una

pyme, son los clientes repetitivos y satisfechos, el hacer las cosas bien desde la más sencilla

hasta la más complicada, es lo que ha y sigue abriendo las puertas a esta empresa.

A pesar de existir varias marcas de tanques y sistemas hidroneumáticos, no muchos de

ellos los instalan. Se tiene un sinfín de personas, empresas esperando por alguien que les

proporcione la información necesaria, capacitación y la confianza de realizar la instalación con

todo el conocimiento de ingeniería en instalaciones hidráulicas.

El garantizar que la instalación queda en las mejores condiciones de operación, así

como el hecho de utilizar la más alta calidad en todos los accesorios, es lo que da pauta a la

empresa a tener un crecimiento y aceptación en el mercado. Asumiendo la responsabilidad de

ser quienes ofrecen un servicio tan indispensable como lo es el suministro de agua.

El auge del uso de los sistemas hidroneumáticos es el ahorro en las residencias, desde

el llenado de las lavadoras, y la disminución de los tiempos en que se deja abierta la regadera.

Es interesante analizar los pasos que se llevan a cabo para calcular y seleccionar un

sistema hidroneumático para así ofrecer un sistema confiable y durable, siendo así la mejor

inversión.

A continuación se describen a detalle los pasos que lleva este procedimiento para la

selección de sistemas hidroneumáticos.

Para ello es necesario tener a disposición la siguiente información del sistema sobre el

cual se va a trabajar:

IPN-ESIME

84

2.3.2 Cálculo del gasto del inmueble

A partir de un levantamiento o planos es necesario determinar los muebles que hay en

la instalación, y de las Tablas de unidades mueble obtener el total de UM de toda la instalación

(descritas en el capítulo 1 Tabla 5).

Seguido de esto el siguiente dato es el gasto total de la casa que se obtendrá de las

tablas de gasto a partir de las Unidades Mueble. Para facilidad de los cálculos a desarrollar se

recomienda realizar la conversión de Litros por Segundo (l/s) a Galones por Minuto. (gal/m)

2.3.3 Cálculo del sistema de bombeo.

Para llevar a cabo este cálculo requerimos los siguientes datos:

La carga de succión que es la distancia de la pichancha al centro de la succión de la

bomba, esto en descrito en metros.

La carga estática que es la altura hasta el mueble más lejano descrito en metros.

La Fricción por trayectoria y accesorios de la tubería, los accesorios se obtienen de

longitudes equivalentes. Este dato también descrito en metros.

La presión requerida para el buen funcionamiento del mueble más lejano en metros

columna de agua.

A partir de los datos obtenidos se aplican a la siguiente fórmula que es aplicable solo para H2O

(Ecuación 50)

Esta fórmula proviene de desglose de la ecuación

(Ecuación 51)

IPN-ESIME

85

(Ecuación 52)

Ahora

(Ecuación 53)

Dónde:

P es la potencia de bombeo

Q es el gasto de bombeo

Ef. la eficiencia teórica de la bomba 60%

Hb es la carga total de la carga de succión +carga estática +la fricción en

la tubería+ presión de salida del mueble más lejano

2.3.4 Selección del tanque hidroneumático de membrana empresa 2

Para evitar un número excesivo de arranques y paradas, la experiencia ha demostrado que el

volumen útil del tanque precargado tiene relación con el requerimiento máximo de agua de la

instalación y con la potencia de la bomba.

Después de obtener la potencia de bombeo, el siguiente paso es la selección de la capacidad

del o de los tanques hidroneumáticos el cual se realiza de la siguiente manera:

Volumen útil (Vu)

Se calcula la cantidad de agua útil que acumula el volumen útil (Vu). Es decir el agua que

acopia y que podemos obtener de él entre las presiones máxima (P1) y mínima (P2). Se tiene

que diferenciar el volumen útil del volumen total de agua que reside en el tanque, y del

volumen total del tanque (Vt) compuesto de aire y agua.

Para este punto debemos de conocer el valor del caudal máximo (Qmax) que consume toda la

instalación (en litros por minuto) y la potencia de la electrobomba a utilizar. Al multiplicar el

valor Qmax por el valor K que veremos de la siguiente Tabla obtenemos el Vu volumen útil.

IPN-ESIME

86

potencia HP 0.5 0.75 1 1.5 2 3 4 5.5 7.5 10 12.5

k 0.2 0.21 0.23 0.26 0.29 0.35 0.41 0.51 0.63 0.79 0.94

Tabla no. 15. Factor de multiplicación K correspondiente a las diferentes potencias de la bomba para hallar el volumen útil [76]

De esta forma se tiene que, el volumen útil se establece por la siguiente relación:

Volumen útil = KxQ (Ecuación 54)

Dónde:

Q Caudal (L/min)

K factor

Lo que logramos aquí es la cantidad de agua que podrá consumir la instalación sin necesidad

que arranquemos la electrobomba.

2.3.5 El volumen total del tanque hidroneumático

Para poder obtener el volumen total VT del tanque a utilizar, se debe tener preestablecidos los

siguientes valores:

P2: presión mínima (encendido)

Presión a la cual se acciona la bomba, su valor se define de la suma de la presión para llegar

al punto más alejado y alto de la instalación (altura geométrica + perdidas por rozamientos de

cañería) + la presión mínima para asegurar la provisión a ese consumo.

P1: presión Máxima (corte)

Presión a la que es desconectada la bomba, su valor se define a partir de la suma P2 + 20 psi

PPC: Presión de precarga

Se instituye a P2 – 3 psi. Esto radica en que para asegurarse que al abrirse los consumos y

bajar la presión en toda la instalación no quede una presión remanente que pudiera impedir que

el sistema llegue a la presión de encendido (P2).

VU: Volumen útil. Es la cantidad de agua que dispone el tanque entre la presión de corte y la

presión de encendido es decir desde que la bomba se apagó y hasta que vuelva a trabajar

IPN-ESIME

87

Para determinar el tamaño del tanque, es necesario consultar la siguiente tabla16, en la

columna que corresponde al rango de presión de trabajo requerido (presión de encendido y

apagado de la bomba), se ubica el volumen útil de agua igual o inmediatamente superior al

cálculo y así se podrá leer del lado izquierdo el volumen del tanque precargado necesario para

cubrir los requerimientos.

En la instalación, no olvidar sincronizar la presión de precarga del tanque, la cual debe ser

menor que la presión de arranque de la bomba (alrededor de 3psi por debajo).

Tabla de cálculo de tanque precargado

volumen del tanque (L)

presión de arranque de la bomba (psi)

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

presión de parada de la bomba (psi)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

presión de precarga del tanque (psi)

17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 87 92 97

volumen útil del tanque (L)

5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.7 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.4 1.4

8 2.8 2.1 3 2.3 2.7 2.1 2.2 2.2 2.2 2.2 2.9 2.9 2.3 2.3

19 6.6 5 7.1 5.4 6.3 4.9 5.2 5.2 5.2 5.2 6.5 6.5 5 5

20 6.9 5.3 7.5 5.7 6.9 5.2 5.5 5.5 5.5 5.5 7.2 7.2 5.7 5.7

24 8.3 6.3 9 6.8 8 5.7 6 6 6 6 8.3 8.3 6.2 6.2

40 13.8 10.5 14.9 11.3 13.7 10.4 11 11 11 11 11.4 11.4 11.4 11.4

60 20 15 22 17 20 15 16 16 16 16 21 21 17 17

80 27 21 29 22 27 20 21 21 21 21 28 28 22 22

100 34 26 37 28 34 25 27 27 27 27 36 36 28 28 35 35 32.4

200 69 52 74 56 68 51 54 54 54 54 72 72 56 56 71 71 64.8

300 103 78 112 84 102 77 82 82 82 82 108 108 85 85 106 106 97.1

500 172 131 1886 141 171 129 137 137 137 137 180 180 142 142 178 178 161.9

700 241 184 261 198 240 181 192 192 192 192 252 252 199 199 249 249 226.7

1000 345 262 373 282 342 259 274 274 274 274 360 360 284 284 356 356 323.8

1400 483 368 522 396 480 362 384 384 384 384 504 504 398 398 498 498 453.3

2100 724 552 784 594 720 544 576 576 576 576 756 756 597 597 747 747 680

Tabla no. 16 Tabla de identificación de la capacidad de tanques precargados conociendo los datos de Pa, Pp, pc y Vu. [76]

IPN-ESIME

88

Datos de procedimiento

Empresa 1 1 2

Tipo de tanque Diafragma Membrana Membrana

Determinación de gasto o consumo

Tablas Hunter Unidades Mueble Tabla 11 Tablas Hunter Unidades Mueble

Determinación de Carga Dinámica Total

CDT= Pop+z2-z1+Hrf Presión mínima.=Altura Estática +Presión

residual +Presión por fricción

Hb (carga total de bombeo ) = carga de succión +carga estática

+la fricción en la tubería+ presión de salida del mueble más

lejano

Longitud de tubería

Distancia a mueble mas desfavorable Altura del inmueble De isométrico

Determinación de perdidas

Pf= (He+Pr)* 0.15 tabla 4 a partir de

conexiones

Longitudes equivalentes

Por factores Por factor Tabla 4 a partir de conexiones

Factores 1.20 por envejecimiento de tubería 1.10 por accesorios, 1.15

por conexiones

0.15 fricción

Selección de bomba

por presión de paro y presión de arranque

por presión de paro y presión de arranque

Presión arranque

Presión de arranque =Carga Dinámica Total

Presión de arranque =Carga Dinámica Total

Presión de arranque =Carga Dinámica Total

Presión paro Presión de arranque + 20psi Presión de arranque + presión residual

Presión de arranque + 20 psi

Capacidad de tanque

Q*Fm De tabla 16 usando Vu. P1, P2 y Ppc

Factores

Fm de la tabla 14 a partir de Vu, Pmin, Pmáx.

ninguno

se obtiene Capacidad del tanque capacidad de tanque capacidad de bomba

Capacidad de bomba por presiones Determinación de bomba por presiones

Capacidad de taque por capacidad de bomba

Tabla no. 17 Tabulación resumen de obtención de datos y resultados

IPN-ESIME

89

______________________________

Capítulo 3

CASO PRÁCTICO DEL CÁLCULO Y SELECCIÓN DE EQUIPO

HIDRONEUMÁTICO BAJO LOS DOS PROCEDIMIENTOS ANTES DESCRITOS

3.1 Descripción del proyecto original

El caso propuesto para el cálculo y selección de equipo hidroneumático está ubicado en Lote 3,

condominio 12, calle Hacienda del Rosario Hacienda Jajalpa, Ocoyoacac, Estado de México

del cual se tiene registrado que existe un cálculo para su sistema donde reporta que se requiere

un tanque cilíndrico horizontal con una capacidad de 2500 l, una compresora de 1 hp y 2

bombas de 5hp 220v con un CDT de 30/40 metros columna de agua.

Tomando como referencia dichos resultados se observan volúmenes muy excesivos, ruidosos y

viejos para un proyecto que pretende tomar una tendencia moderna, funcional, práctica y sobre

todo económica.

Por lo anterior se propone el uso de los procedimientos de dos empresas que ofrecen mismos

servicios que cubren las expectativas de dicho proyecto, de esta manera el presente trabajo

tiene como objetivo principal comparar los procedimientos empleando los elementos

fundamentales que constituyen el equipo hidroneumático.

Los planos proporcionados están diseñados con una tubería de polipropileno random que tiene

un comportamiento muy diferente al PVC y al cobre. Por lo que en los cálculos solo se utilizara

el cobre, las longitudes y accesorios así como algunos factores que ayudan a un cálculo rápido

y confiable. (Ver plano en anexo Arq-01).

IPN-ESIME

90

3.2 Aplicación Procedimiento de la Empresa 1 para el cálculo de tanque con

diafragma.

Se comienza con la cuantificación y ubicación los muebles, de acuerdo con los planos

suministrados.

PLANTA BAJA PLANTA ALTA

MUEBLES CANTIDAD MUEBLES CANTIDAD

Inodoro (WC) 3 Inodoro (WC) 5

Lavabo 3 Lavabo 6

Lavadero 1 Lavadero

Fregadero 2 Fregadero

Regadera 2 Regadera 5

Tina Tina 1

lavadora 1 lavadora

Tabla 18. Número de muebles sanitarios instalados en el inmueble

De las Tablas del IMSS se obtienen las unidades mueble asignadas mediante el método de

Hunter.

MUEBLE CANTIDAD UM SERVICIO CONTROL

Inodoro (WC) 8 2 Núcleo Tanque

Lavabo 9 2 Privado Llave

Lavadero 4 3 Privado Llave

Fregadero 1 2 privado Llave

Regadera 7 2 Privado Mezcladora

Tina 1 2 Privado Mezcladora

Lavadora 1 4 Mecánica Mecánico

Tabla 19. Tabla de unidades muebles

Se obtiene el número total de los muebles sanitarios a instalar en la residencia.

Tabla 20. Obtención del dato Unidad Mueble y el total de ellos

MUEBLE CANTIDAD UM SUBTOTAL UM

CONSUMO TOTAL

Inodoro (WC) 8 2 16 16

Lavabo 9 2 18 18

Lavadero 4 3 12 12

Fregadero 1 2 2 2

Regadera 7 2 14 14

Tina 1 2 2 2

Lavadora 1 4 4 4

68 UM

IPN-ESIME

91

A partir de las unidades muebles, de la Tabla 20, se determina el gasto que tendremos en la

residencia los cuales se presentan en la Tabla siguiente.

DE TABLA CON UM

GASTO EN LPS 2.24

GASTO EN LPM 134.4

GASTO EN GPM 35.4816

Tabla 21. Datos obtenidos de Tablas del IMSS y convertido a lps, lpm, y gpm.

Una vez obtenida la información se procede a obtener la carga dinámica total esto con el

objetivo de tener el desempeño adecuado de la bomba.

3.3 Cálculo de carga dinámica total empresa 1

Para este cálculo se basa en la siguiente ecuación:

(Ecuación 55)

Donde:

Pop presión de operación

Z2-Z1 cargas estáticas

Hrf pérdidas por fricción en línea de succión y descarga de la bomba

Se prosigue a obtener los datos de la ecuación:

Pop = 1kg presión mínima para el adecuado funcionamiento de una regadera (recomendación

de la Empresa 1).

Z2-Z1 = es la altura al mueble más desfavorable o lejano, la altura de cada nivel y la altura de

la pichancha en la succión a la bomba.

z2-z1 7.15 m

Altura a regadera 1.90 m

Nivel de 1er piso 3.25 m

Cisterna a succión 2 m

Tabla 22. Datos de alturas del inmueble

IPN-ESIME

92

Se prosigue a calcular las pérdidas, en este paso, se utilizan tres factores de acuerdo con la

experiencia han demostrado ser útiles en cuestión de ahorro de tiempo y confiabilidad.

Cálculo de perdidas

(Ecuación 56)

Donde

1.20 = factor de envejecimiento

1.10 =factor de la tubería que no se cuenta tubería de ½”

1.15 = factor de perdidas secundarias “T”, codos y todos aquellos accesorios que se

encuentran en la línea.

Se obtiene la longitud del hidroneumático al punto más lejano, esta distancia es 21.04 m. (ver

plano anexo Arq 01 y 02)

Q DE DISEÑO 134.4 LPM

DIAMETRO DE TUBERIA RAMAL PRINCIPAL

1 1/2" pulg

Tabla 23. Datos utilizados para determinar el factor de fricción. De las Tabla 10 Cap. 2, de la Empresa 1 se obtiene el factor de fricción a partir del caudal de

diseño y el diámetro de tubería del ramal principal el factor de pérdida por fricción.

Diámetro de Tubería

L/min 1/2" 3/4" 1" 1.1/4" 1.1/2" 2" 2.1/2" 3" 4" 5" 6" Gal/min

8 7.4 1.90

2

15 27.00 7.00 2.14 0.57 0.26

4

23 57.00 114.70 4.55 1.20 0.56 0.20

6

30 98.00 25.80 7.80 2.03 0.95 0.33 0.11

8

38

38.00 11.70 3.05 1.43 0.50 0.17 0.70

10

45

53.00 16.40 4.30 2.0 0.79 0.23 0.10

12

57

80.00 25.00 6.50 3.00 1.08 0.36 0.15

15

68

35.00 9.10 4.24 1.49 0.50 0.21

18

76

42.00 11.10 5.20 1.82 0.61 0.25 0.06

20

95

64.00 16.60 7.30 2.73 0.92 0.38 0.09

25

114

89.00 23.00 11.00 3.84 1.20 0.54 0.13 0.04

30

132

31.20 14.70 5.10 1.72 0.71 0.17 0.06

35

151

40.00 18.80 6.60 2.20 0.91 0.22 0.08

40

170

50.00 23.20 8.20 2.80 1.15 0.28 0.09

45

IPN-ESIME

93

189

60.00 28.40 9.90 3.32 1.38 0.34 0.11 0.04 50

208

72.00 34.00 11.80 4.01 1.58 0.41 0.14 0.05 55

227

85.00 39.60 13.90 4.65 1.92 0.47 0.16 0.06 60

246

99.70 45.90 16.10 5.40 2.16 0.53 0.19 0.07 65

265

53.00 18.40 6.10 2.57 0.67 0.21 0.08 70

284

60.00 20.90 7.20 3.00 0.73 0.24 0.10 75

303

68.00 23.70 7.90 3.28 0.81 0.27 0.11 80

322

75.00 26.50 8.10 3.54 0.91 0.31 0.12 85

341

84.00 29.40 9.80 4.08 1.00 0.34 0.14 90

360

93.00 32.60 10.80 4.33 1.12 0.38 0.15 95

379

35.80 12.00 4.96 1.22 0.41 0.17 100

Tabla 24. Obtención de factor de fricción, con los parámetros de diámetro y caudal.

El dato 18.8 es un adimensional

Sustituyendo en la fórmula:

(Ecuación 57)

(Ecuación 58)

Substituimos los datos calculados en la siguiente ecuación.

(Ecuación 59)

(Ecuación 60)

Conversión de metros (m) a psi (lb/plg2).

1psi = 0.7 metro columna de agua

23,15 m.c.a. = 33.1 psi

33.1 psi es el dato que se convierte en la Presión de arranque.

Ya que el intervalo comercial de presostatos es de 30 psi tomamos este dato para usarlo como

la presión de arranque

IPN-ESIME

94

La Presión de paro es la presión de arranque mas 20 psi.

(Ecuación 61)

Los presostatos comercialmente se encuentran en 3 intervalos: de 20-40 psi, de 30-50 psi y de

40-60 psi, ahora se sabe que la presión de arranque es de 30 psi y la presión de paro es de

50psi, el presostato seleccionado es de 30-50psi.

3.4 Cálculo del volumen total del tanque hidroneumático de diafragma.

En este punto hacemos uso de la fórmula:

(Ecuación 62)

Donde:

Q es el caudal de diseño

tc tiempo de corrido de la bomba (de capítulo 2 para bombas de 1 hp 1 min. y 2hp 2

min.)

F.A. Factor de aceptación

(Ecuación 63)

Sustituimos datos

(Ecuación 64)

Sustituimos los datos obtenidos en la fórmula y obtenemos el 94olumen total del tanque

hidroneumático de diafragma

(Ecuación 65)

Habiendo obtenido la capacidad del tanque se determina usar 2 de 500 litros considerando que

cubrirán con la demanda de presión y agua a la red de la residencia.

IPN-ESIME

95

Ahora seleccionamos la bomba, siendo el caudal de diseño el CDT y buscando que las

presiones de paro y arranque se encuentren dentro de la curva de funcionamiento de la bomba

para que esta realice su trabajo sin forzarse o trabajar sobradamente.

Considerando los siguientes datos:

Presión de arranque CDT 21m

Presión de paro 32 metros

Caudal de diseño 134.4 lpm

A partir de la curva de funcionamiento, se selecciona la bomba cp650M, sus características son

1.5hp, trifásica

Figura 35. Curva de funcionamiento de la bomba CP650M de la marca Pedrollo se indican los puntos de arranque y paro. [77]

IPN-ESIME

96

3.5 Procedimiento de la empresa 1 para el cálculo del tanque hidroneumático con

membrana.

Para conocer la capacidad de la bomba se necesita obtener:

A) Conocer el número de servicios (servicio= cada inodoro, regadera, lavaplatos, grifos

etc.)

B) Caudal Necesario ya sea que el dato se obtenga de la Tabla 11 o de la Tabla 7 de

Hunter, En este caso utilizaremos el dato obtenido de la Tabla 11 considerando un

Gasto promedio para una residencia de 6 baños de 23 GPM

El caudal lo obtendremos en GPM

Para convertir de GPM a Lt/min se debe multiplicar por 3.785 y tenemos 87.055 Lpm

Para convertir de (Lt/min)/60 a lt/seg tenemos 1.45 lps

La altura dinámica lo obtenemos del:

C) Número de pisos de la construcción N, el inmueble tiene 2 pisos.

D) Altura Estática He que se obtiene de He=Nx3, tenemos que : (Ecuación 66)

He=2x3= 6 metros.

E) Presión residual Pr que por información de experiencia se determina en 7 metros.

F) Presión por fricción se obtiene de Pf= (He+Pr)* 0.15 , tenemos: (Ecuación 67)

Pf=(6m+7m)*0.15 = 1.95 metros

G) Presión mínima total Pmin.=He+Pr+Pf en metros, se obtiene: (Ecuación 68)

Pmin=6m+ 7m+ 1.95m=14.95 metros

Convertir a psi Pmín*1.42 =14.95*1.42= 21.22 psi

La presión mínima viene a ser la Carga Dinámica Total de la bomba a utilizar, es a su vez la

presión de arranque

H) Presión diferencial ya establecida como: Pd=14m

IPN-ESIME

97

I) Presión máxima total Pmáx.= Pmin+Pd en metros: (Ecuación 69)

Pmáx=14.95m+14m=28.95 metros

Convertir a psi Pmáx*1.42 = 28.95*1.42=41.109 psi.

Esta presión se debe encontrar dentro de la curva de funcionamiento de la bomba a elegir.

Para obtener la Capacidad del tanque de presión obtenemos:

J) Volumen mínimo de agua en el tanque de presión (de Tabla25) de presión minima 21.22

psi, tenemos un 10%

K) Volumen máximo de agua en el tanque de presión (de Tabla 25) de presión máxima de

41.109 tenemos un 43.2%

L) Volumen útil de agua en el tanque de presión (de Tabla 25) obtenemos un 33.2 %

M) Factor para el cálculo del tamaño del tanque Fm (de Tabla 25) obtenemos 7.53

N) Obtenemos la capacidad del tanque de presión T multiplicando

Q(GPM)*Fm valor dado en galones

A) T=Q(GPM)*Fm=23GPM*7.53=173.19 galones. ( Ecuación 70)

Conversión de unidades:

1 galón=3.785 l entonces al convertir los galones a Litros se tiene que el tanque debe ser de

655.52 l.

IPN-ESIME

98

Tabla 25. Obtención de factor para dimensionar tanque de membrana

PRESIÓN MíNIMA

PRESIÓN MÁXIMA

VOLUMEN FACTOR

psi psi % mínimo % Útil % Máximo Fm

15 35 10 36.57 46.57 6.84

20 40 10 33.2 43.2 7.53

25 45 10 30.4 40.4 8.23

30 50 10 28.3 38.8 8.92

35 55 10 26 36 9.61

40 60 10 24.25 34.25 10.31

45 65 10 22.72 32.72 11

50 70 10 21.37 31.37 11.7

55 75 10 20.17 30.17 12.39

60 80 10 19.1 29.1 13.09

65 85 10 18.14 28.14 13.78

70 90 10 17.27 27.27 14.48

75 95 10 16.48 26.48 15.17

80 100 10 15.76 25.76 15.86

85 105 10 15.1 25.1 16.56

90 110 10 14.49 24.49 17.25

95 115 10 13.93 23.93 17.95

100 120 10 13.41 23.41 18.64

105 125 10 12.93 22.93 19.34

110 130 10 12.48 22.48 20.03

115 135 10 12.06 22.06 20.73

120 140 10 11.67 21.67 21.42

125 145 10 11.31 21.31 22.11

130 150 10 10.96 20.96 22.81

135 155 10 10.64 20.64 23.5

140 160 10 10.33 20.33 24.2

IPN-ESIME

99

Figura 36. Curva de selección de bombas Pedrollo [77]

Selección de la Bomba:

Bomba de 1hp a partir de alturas de trabajo

Pmín 14. 95 metros

Pmáx 28.95 metros

3.6 Aplicación procedimiento de cálculo empresa 2 tanques de membrana

Tabla 26. Tabulación de muebles sanitarios del inmueble, así como su valor de unidades mueble a partir de las Tablas de IMSS.

ITEM MUEBLE SERVICIO CONTROL UM CANTIDAD UNIDADES MUEBLES

1 Inodoro (WC) Nucleo Tanque 2 8 16

2 Lavabo Privado Llave 2 9 18

3 Lavadero Privado Llave 3 4 12

4 Regadera Privado Mezcladora 2 7 14

5 Tina Privado Mezcladora 2 1 2

6 lavadora Mecanica Mecanico 4 1 4

7 fregadero privado mezcladorea 2 1 2

TOTAL 68 UM

PMI

N

PMAX

N

IPN-ESIME

100

Cálculo del gasto del inmueble

Contabilizando la cantidad de muebles instaladas en el proyecto y obteniendo datos de

Tabla 8, del Instituto Mexicano del Seguro Social, se obtiene los datos que se introdujeron a la

tabla 26, en donde se describe los muebles, el control, y las unidades mueble y se hace la

sumatoria de ellas.

Se tiene el total de 68 unidades mueble ahora:

De la Tabla 8 Gastos en función de Unidades- Mueble. Método Hunter- Niesel del Instituto

Mexicano del Seguro Social , con el dato de 66 UM en la sección de gasto probable (l.p.s) sin

fluxómetro o con fluxómetro El dato de 66 UM se tiene un gasto de 2.24 l.p.s.

A partir de este dato, se convierte a litros por minuto

Lps 2.24

Lpm 134.4

Ahora se calcula la potencia en HP de la bomba

Para ello recopilamos la información siguiente y es introducida a la siguiente ecuación

CÁLCULO DE POTENCIA DE BOMBEO

Esta ecuación proviene de los cálculos de Potencia para motores de bombas, condensa los

datos obtenidos del proyecto. Se desglosó en la ecuación 51 a la 53.

(Ecuación 71)

P = potencia de bombeo Hp.

Q = gasto de bombeo en lpm

Ef = eficiencia teórica en %

Hb =carga total de bombeo en m =

Hb= Hs + He + Hf + Hp (Ecuación 72)

Donde:

Hs= Carga de Succión

He= Carga Estática

Hf= Fricción por trayectoria y accesorios

Hp= Presión de Salida del mueble más lejano

IPN-ESIME

101

Ahora a partir de los datos provistos en planos y levantamientos

Hs: Se determina que la carga de succión es igual a 2 metros que es la distancia que habrá de

la pichancha o válvula de retención al centro de succión de la bomba

He: La carga estática es la altura hasta el mueble más lejano, en este caso el mueble más

lejano a la bomba es la regadera y tiene una altura de 4.25 metros la salida de este servicio.

Hf: la fricción por trayectoria y accesorios: en este caso la longitud total de la tubería en toda la

red hidráulica es de 128.06 metros (dato obtenido de plano) este dato es la longitud hasta los

servicios, de aquí también se suma la longitud equivalente de los accesorios como lo son codos

y tees.

Pb

longitud de tubería

3/4" 16.52

1" 5.66

1 1/2" 22.18

44.36 mts

Tabla 27. Longitud de tubería planta baja

Pa

longitud de tubería

3/4" 5.83

1" 29.52

1 1/2" 6.8

42.15 mts

Tabla 28. Longitud de tubería planta baja

longitudes equivalentes

perdidas por conexiones

conexión cantidad perdida total en m

codo 90° 3/4" 8 0.75 6

codo 90° 1 " 20 0.9 18

codo 90° 1 1/2" 2 1.5 3

tee paso recto 1/2" 9 0.2 1.8

tee paso recto 3/4" 6 0.25 1.5

tee paso recto 1" 6 1.5 9

tee paso recto 1 1/2" 5 0.45 2.25

41.55 mts

Tabla 29. Longitudes equivalentes de los accesorios

IPN-ESIME

102

Sumatoria de las longitudes:

PB+PA=86.51m

Sumatoria longitudes equivalentes:

41.55 m

Y la suma de estas dos nos da la cantidad de 128.06, esta cantidad es multiplicada por un

factor de 0.08 el cual es un factor de envejecimiento.

A partir de esto los datos son introducidos a la ecuación

Hp: es la presión de salida del mueble más lejana

En este caso el mueble más lejano es la tina ubicada en el cuarto principal y requiere una

presión de 15 metros (se consideran 15 metros puesto que según el fabricante de se requieren

1.5kg de presión que convertidos a metros, son los 15 metros de presión.)

Hs= Carga de Succión 2 2 m

He= Carga Estática 4.25 4.25 m

Hf= Fricción por trayectoria y accesorios 128.06 10.2448 m

Hp= Presión de Salida del mueble más lejano 1.5 15 m

TOTAL 36.7268 m

Tabla 30. Tabulación de los datos para altura total de bombeo

Los demás datos a colocar en la ecuación son los siguientes

(Ecuación 73)

P= Potencia de Bombeo 1.5hp

Q= Gasto de Bombeo 2.24 lps

Ef= Eficiencia retórica 0.6

Hb= Carga total de Bombeo Hs + He + Hf + Hp

La potencia de bombeo a partir de este cálculo es de

P= Potencia de Bombeo 1.5 hp

IPN-ESIME

103

Ahora calcularemos la capacidad del tanque que utilizaremos

Comenzamos por el cálculo del volumen útil.

Volumen útil (Vu):

Calcular primero la cantidad de agua útil que acumula el volumen útil (Vu). Es decir el

agua que guarda y que se puede obtener de él entre las presiones Máxima (P1) y mínima (P2).

Se tiene que diferenciar el volumen útil del volumen total de agua que reside en el tanque, y del

volumen total del tanque (Vt) compuesto de aire y agua.

Para este punto debemos de conocer el valor del caudal máximo (Qmax) que consume toda la

instalación (en litros por minuto) y la potencia de la bomba a utilizar. Al multiplicar el valor Qmax

por el valor K que veremos de la Tabla 30 obtenemos el Vu volumen útil.

potencia HP 0.5 0.75 1 1.5 2 3 4 5.5 7.5 10 12.5

k 0.2 0.21 0.23 0.26 0.29 0.35 0.41 0.51 0.63 0.79 0.94

Tabla 31 De capítulo 2 donde indica el factor de multiplicación K correspondiente a las diferentes potencias de la bomba para hallar

el volumen útil

Obtenemos K:

hp 1.5

k 0.26

Obtenemos el volumen útil del producto:

(Ecuación 74)

(Ecuación 75)

El valor que obtenemos es la cantidad de agua que podrá consumir la instalación sin

necesidad que arranque la electrobomba.

El volumen total del tanque hidroneumático:

Para poder obtener el volumen total VT del tanque a utilizar, se debe tener los siguientes

valores:

IPN-ESIME

104

P2: presión mínima (encendido)

Presión a la cual se acciona la bomba, su valor se define de la suma de la presión para llegar

al punto más alejado y alto de la instalación (altura geométrica + perdidas por rozamientos de

tubería) + la presión mínima para asegurar la provisión a ese consumo

P1: presión máxima (corte)

Presión a la que es desconectada la bomba, su valor se define a partir de la suma P2 + 20 psi.

PPC: Presión de precarga

Se instituye a P2 - 0-3 psi. Esto radica en que para asegurarse que al abrirse los consumos y

bajar la presión en toda la instalación no quede una presión remanente que pudiera impedir que

el sistema llegue a la presión de encendido (P2)

VU: Volumen útil. Es la cantidad de agua que dispone el tanque entre la presión de corte y la

presión de encendido es decir desde que la bomba se apagó y hasta que vuelva a trabajar

Cálculo de Presión 2 o presión de arranque

Altura+ perdidas + presión mínima al mueble más desfavorable

7.15 + 10.5 + 10 = 27.65 metros = 39.5 psi

Presión de paro

P2+20 psi

39.5psi+20psi= 59.5 psi

Presión de precarga

P2-3 psi

39.5-3psi=36.5psi

Selección del rango de presostato

40-60 psi

IPN-ESIME

105

Ahora haciendo uso de la Tabla descrita en el capítulo 2 tenemos la presión de arranque

de 40 psi (lb/plg2), la presión de paro es de 60psi (lb/plg2) y la presión de precarga es de 37psi

(lb/plg2). Y teniendo el volumen útil de 35 vamos al inmediato superior que es de 68 y en la

columna de la izquierda tenemos que la capacidad del tanque que utilizaremos es de 200l esta

capacidad de 200l es el valor efectivo.

Tabla de cálculo de tanque precargado

volumen del tanque (L) efectivo

presión de arranque de la bomba (psi)

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

presión de parada de la bomba (psi)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

presión de precarga del tanque (psi)

17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 87 92 97

volumen util del tanque (L)

5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.7 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.4 1.4

8 2.8 2.1 3 2.3 2.7 2.1 2.2 2.2 2.2 2.2 2.9 2.9 2.3 2.3

19 6.6 5 7.1 5.4 6.3 4.9 5.2 5.2 5.2 5.2 6.5 6.5 5 5

20 6.9 5.3 7.5 5.7 6.9 5.2 5.5 5.5 5.5 5.5 7.2 7.2 5.7 5.7

24 8.3 6.3 9 6.8 8 5.7 6 6 6 6 8.3 8.3 6.2 6.2

40 13.8 10.5 14.9 11.3 13.7 10.4 11 11 11 11 11.4 11.4 11.4 11.4

60 20 15 22 17 20 15 16 16 16 16 21 21 17 17

80 27 21 29 22 27 20 21 21 21 21 28 28 22 22

100 34 26 37 28 34 25 27 27 27 27 36 36 28 28 35 35 32.4

200 69 52 74 56 68 51 54 54 54 54 72 72 56 56 71 71 64.8

300 103 78 112 84 102 77 82 82 82 82 108 108 85 85 106 106 97.1

500 172 131 188

6 141 171 129 137 137 137 137 180 180 142 142 178 178 161.9

700 241 184 261 198 240 181 192 192 192 192 252 252 199 199 249 249 226.7

1000 345 262 373 282 342 259 274 274 274 274 360 360 284 284 356 356 323.8

1400 483 368 522 396 480 362 384 384 384 384 504 504 398 398 498 498 453.3

2100 724 552 784 594 720 544 576 576 576 576 756 756 597 597 747 747 680

Tabla 32 Tabla de capítulo 2 presiones de arranque, paro, precarga y volumen útil del tanque hidroneumático.

Selección del equipo hidroneumático

En el mercado buscamos tanques hidroneumáticos de 200l.

Marca Myers construye tanques Precargados de 232 l

Capacidad de la bomba 1.5 hp calculado,

Caudal a manejar 134.4 lpm o 2.21 lps

Las alturas o presiones que maneja el equipo hidroneumático en arranque y paro son:

IPN-ESIME

106

27.65 metros presión de arranque y 41.65 metros presión de paro.

La selección de la bomba de acuerdo a los parámetros obtenidos:

Modelo de la bomba PICSA

Se selecciona la bomba de 2hp de la serie 320 de la Marca PICSA que es la bomba que

responde a los requerimientos. Ya que el caballaje calculado es el estimado.

Figura 37. Curva de operación bomba Mca. Picsa [78]

Comparación con el uso de Tablas de tanques hidroneumáticos de membrana Mca. Myers.

La segunda forma de seleccionar el tanque hidroneumático es:

Se tiene un caudal de la bomba de 134.4 lpm y un Switch de presión de 40-60psi. El rango es

de 114 lpm o 190 lpm, para protección del sistema consideramos el de 190 lpm

Y según la Tabla de Myers se tendrían que colocar un tanque de MS85 de 322Litros más uno

MS119 que es un tanque de 450litros dando un total de 772 litros de reserva.

IPN-ESIME

107

Figura 38 .Tabla de selección de tanques Marca Myers. [79]

Si se considera que el caudal son 87 lpm la capacidad más cercana es la de 114 lpm, el rango

del Switch de presión es de 20-40 el tanque seria el modelo MS85 que tiene una capacidad de

322 litros. Siendo 322 litros efectivos.

IPN-ESIME

108

_______________________________

Capítulo 4

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DE

LA COMPARATIVA DE LOS DOS

PROCEDIMIENTOS TANTO PARA TANQUES

DE MEMBRANA COMO PARA TANQUES

DE DIAFRAGMA

4.1 Resultados

En los dos casos se consideró que los muebles son los mismos para los dos

procedimientos se manejan los mismas unidades muebles 68

Tabla 33.caudales para ambos procedimientos

El caudal considerado para la empresa 1m que es con membrana es con un caudal de 23GPM ,

gasto de la Tabla 11 del capítulo 2.

Obtención de la carga dinámica total (empresa 1Diafragma y 1Membrana) y la altura total de

bombeo (empresa 2)

Son similares aunque con una diferencia significativa, ya que la forma de obtenerlo es según la

experiencia de cada una de las empresas. Cabe señalar que en el cálculo de la empresa 1D, se

utilizan factores que cubren las perdidas, longitudes y envejecimiento, en empresa 1M se utiliza

un cálculo rápido y utilizando factores de experiencia, siendo que en el procedimiento de la

DE TABLA CON UM

GASTO EN LPS 2.24

GASTO EN LPM 134.4

GASTO EN GPM 35.4816

IPN-ESIME

109

empresa 2 se utiliza la longitud total del inmueble así como las longitudes equivalentes de los

accesorios especiales.

Tabla 34. Cálculo de la carga dinámica total (empresa 1d y 1M) o altura total del bombeo (empresa 2)

Las presiones de arranque y paro, son obtenidas d diferente forma y en diferente secuencia ya

que estos datos son importantes en la selección del tanque hidroneumático, uno depende de la

carga dinámica total para usarlo como la presión de inicio (empresa 1D y 1M) y el otro depende

de la potencia de la bomba para determinar la presión de arranque y paro (empresa 2).

Tabla 35. Presiones de arranque y paro

La selección del presostato es determinada redondeando los datos obtenidos. Y se asigna

según el parámetro en el que entre.

EMPRESA 1D EMPRESA 1M EMPRESA 2 UNIDAD

30-50 20-40 40-60 PSI

Tabla 36. Selección de Presostato

El cálculo de la capacidad del tanque hidroneumático es donde se utilizan los procedimientos

presentados, de aquí depende los intervalos de encendido y paro de las bombas. La diferencia

encontrada es sumamente grande, puesto que la empresa 1D, plantea utilizar tanques de

mayor capacidad dando con esto un descanso muy prolongado al equipo de bombeo. Y la

empresa 2 plantea el disminuir tanto la capacidad de los tanques así como su cantidad,

brindando con este único tanque la presión a todos los servicios en la vivienda.

EMPRESA 1D EMPRESA 1M EMPRESA 2 MYERS UNIDAD

CAPACIDAD 896 655.52 200 322+450 LITROS

CANTIDAD 2 2 1 2 PZA

EXISTENTE EN MERCADO 500 322 232 322 Y 450 LITROS

Tabla 37. Selección de Tanque Precargado

EMPRESA1D EMPRESA 1M EMPRESA 2 UNIDAD

23.15 14.95 10.24 M.C.A

EMPRESA 1D EMPRESA 1M EMPRESA 2 UNIDAD

P. ARRANQUE 33.1 20 39.5 PSI

P. PARO 53.1 40 41.9 PSI

IPN-ESIME

110

La selección de la bomba, para la empresa 1, es a partir de los datos de arranque y

paro, ya que se debe considerar esos puntos en su curva de funcionamiento, asegurando con

estos datos que el corazón del equipo hidroneumático provea de agua sin ningún problema.

Y para la empresa 2 después de haber calculado la capacidad, y después de

seleccionar el tanque se tiene que verificar con la curva de funcionamiento, para ajustar según

la oferta de la bomba.

EMPRESA 1D EMPRESA 1M EMPRESA 2

POTENCIA 1.5 1 hp 1.5 (CALCULADA)

2HP OBTENIDA

MARCA PEDROLLO PEDROLLO PICSA

Tabla 38. Selección de Bomba Centrifuga

4.2 Observaciones sobre los cálculos, Tablas y factores de cálculo.

Algunos de los datos utilizados en este tipo de cálculo, son tomados de experiencias en

campo.

Algunas de las tablas como la tabla 10 de las perdidas por fricción, usadas para calcular

perdidas por longitud, son en el caso de la empresa 1, para acero galvanizado, y no de cobre,

pues los resultados obtenidos que obtienen son similares.

El uso de las longitudes equivalentes de tablas experimentales, también es un dato

funcional en la práctica para estas empresas, pues para atender y mover la cantidad de

equipos, y proyectos, es más fácil el utilizar este tipo de datos que vienen derivados de los

cálculos teóricos.

El uso de factores, asignados a envejecimientos, tuberías no consideradas y determinar

que las perdidas representan un cierto porcentaje para no calcularlas pero si considerarlas. Son

más constantes en este tipo de procedimientos pero que derivan de toda la información

hidráulica disponible.

Cabe resaltar que al existir dos tipos de tanques los de membrana y los de diafragma

estos arrojan resultados distintos entre si, pues los de diafragma captan un 30% de la

capacidad total.

IPN-ESIME

111

4.3 Observaciones sobre las instalaciones de México

De acuerdo a la experiencia obtenida en campo, se observan desviaciones en la

instalación de los equipos hidroneumáticos en la Ciudad de México estas desviaciones están

presentes porque carecen de criterios de ingeniería por lo tanto originan falla en el sistema lo

que a su vez provoca una ineficiencia del equipo para el cual fue diseñado.

En ocasiones se han encontrado equipos hidroneumáticos sin tuercas unión, que es un

elemento indispensable para la ejecutar el mantenimiento, así como para el reemplazo de

elementos como el tanque o la bomba.

Se excluyen de la instalación válvulas de paso necesarias para realizar pruebas del

funcionamiento del equipo hidroneumático y siendo este punto una complicación constante ya

que para poder realizar mantenimientos o reemplazo de algún elemento es necesario esperar

a que el agua se elimine de la tubería o en su caso cerrar la válvula de la salida del tinaco en

el mejor de los casos o esperar a que toda la línea se vacíe de agua.

La colocación de una tubería de retorno es importante ya que sirve para realizar pruebas

de arranque y paro del equipo así como para verificar el correcto funcionamiento sin

desperdiciar agua, o vaciando la línea abriendo todas las válvulas de uso del inmueble.

Provocando que el equipo arranque demasiadas veces provocando molestias para los

habitantes del inmueble y elevando el consumo de energía eléctrica.

Los sensores de niveles son elementos que en muchas ocasiones son omitidos y puede

provocar que la bomba trabaje en vacío en casi de tener una succión negativa ocasionando

problemas de cavitación, sobrecalentamientos y daños irreparables en el sistema de bombeo.

4.4 Conclusiones

Los cálculos que tiene cada empresa para la selección de los sistemas hidroneumáticos,

está basada en la experiencia de cada una. Y en las soluciones que ofrecen a sus clientes. Ya

que evitan hacer la ingeniería rigurosa por costos de capital humano.

IPN-ESIME

112

A partir de los cálculos y la comparación de los mismos se puede considerar que en el

cálculo y la selección de sistemas hidroneumáticos se puede tener condiciones óptimas, se

sabe que se puede dimensionar un sistema hidroneumático por arriba o por abajo de las

condiciones óptimas de operación.

Esto lo podemos ver en la Tabla 37 donde se puede ver las diferentes capacidades de los

equipos que se seleccionaron, esto es lo que da pie a describir la importancia del

dimensionamiento del sistema. Así como en la Tabla 36 la selección del interruptor de presión.

La presión adecuada es brindada a cada servicio de la casa, pero se han seleccionado distintas

dimensiones del tanque precargado a continuación se describen las ventajas y desventajas de

dimensionar un sistema hidroneumático por arriba tabla 39 o por debajo de condiciones de

funcionamiento adecuadas tabla 40.

Dimensionamiento por arriba del funcionamiento adecuado:

Ventajas Desventajas

Mayor volumen de almacenamiento

El costo del equipo inicial es elevado

Reducción numero de arranques

Tiempos de descanso prolongados

Alargamiento de vida del sistema

Ahorro en consumo eléctrico

Disminución en mantenimientos correctivos a instalaciones hidráulicas y eléctricas.

Tabla 39 comparación del dimensionamiento adecuado.

Dimensionamiento por debajo del funcionamiento adecuado:

Ventajas Desventajas

Costo inicial de compra considerablemente bajo Constantes arranques del sistema

Suministro de Presión en servicios optimo Consumo eléctrico elevado

Acortamiento de la vida útil del equipo de bombeo

Tanque precargado presenta fatiga en tiempo corto en la membrana y/o diafragma

Se necesitan más mantenimientos correctivos en tiempos muy cortos

El costo inicial es superado por los costos de mantenimientos y consumo eléctrico

Tabla 40 comparación del dimensionamiento inadecuado.

IPN-ESIME

113

4.4.1 Impacto ecológico, económico y ético a partir del dimensionamiento del

sistema hidroneumático.

Las repercusiones ecológicas al dimensionar un equipo por arriba del funcionamiento

adecuado son:

Ahorro en el consumo eléctrico esto es en una dimensión micro y en dimensiones

macro la disminución de generación de CO2 en la producción de esa energía eléctrica que no

utiliza el equipo al descansar, así como el mantenimiento mínimo del sistema siendo reducidos

los tiempos de paro, dejando en claro que la ética y compromiso con la ecología de quien

calcula y selecciona es de los más altos, pues considera el ahorro energético, el ahorro

económico del cliente, la garantía y respaldo al usuario de contar con un sistema que necesitará

un mínimo de mantenimiento del tipo correctivo, reflejándose en gastos posteriores a su

adquisición.

Las repercusiones ecologías al dimensionar un sistema por debajo del funcionamiento

adecuado son totalmente opuestas a las que se tienen al dimensionar por arriba.

Esto deja en claro nuevamente, que la ética de quien o quienes dimensiona de esta

manera ha sido superada por el aspecto de mercado más que el de ingeniería, descuidando

los aspectos del ahorro energético y los intereses económicos del usuario final, quien sería el

que costearía todos los consumos excesivos así como los constantes mantenimientos del

sistema hidroneumático, en pocas palabras, atentan contra la sustentabilidad nacional.

Es de suma importancia recalcar que el conocimiento teórico académico ya que es

fundamental en el cálculo y selección de sistemas hidroneumáticos, pues al no tener este

conocimiento no se podrá entender el comportamiento hidráulico del sistema, así como la

interpretación de los datos que indican las tablas, o las gráficas; así mismo la interpretación y

uso adecuado de las fórmulas y resultados obtenidos.

El presente trabajo sirve para conocer de manera fácil y concreta el cálculo de los

sistemas hidroneumático, el funcionamiento de estos, los criterios de instalación así como de

selección, para determinar un sistema que trabaje justo a la medida de un proyecto

determinado. Va dirigido a Ingenieros y Técnicos que se dedican al cálculo y selección de este

tipo de sistemas, así como a su instalación y mantenimiento.

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Las empresas de quienes se comparan sus metodologías, deben como prioridad,

desarrollar en la manera de lo posible la ingeniería a detalle sin escatimar el capital humano,

para de esta manera analizar y cubrir todos los conceptos que integra el cálculo y selección de

sistemas hidroneumáticos, de esta manera brindar sistemas que funcionen en óptimas

condiciones, así como brindar una satisfacción y confianza al cliente final. Cumpliendo con la

sustentabilidad nacional, ahorro eléctrico y económico que debe proporcionar un buen

desarrollo de ingeniería.

El Instituto Politécnico Nacional a través de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica

y Eléctrica, proporciona a la Industria egresados con la capacidad de desarrollar ingeniería y

brindar soluciones a empresas que desarrollan el cálculo y selección de sistemas

hidroneumáticos, esto con la finalidad de evitar los llamados vicios operativos y dar soluciones

prácticas, reales y duraderas.

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Referencias

1 Robert L. Mott, Mecánica de Fluidos Aplicada Prentice Hall México. pp. 148 2 Ídem. pp.146 3 Ídem. pp. 149 4 Ídem. pp. 149 5 Ídem. pp.155-156 6 Ídem. pp.155 7 Ídem. pp. 157 8 Ídem. pp. 157 9 Ídem. pp.157 10 Ídem. pp.196 11 Ídem. pp.195-196 12 Ídem. pp.219,222,223 13 Crowe, Clayton T et. al, Mecánica de fluidos CECSA México., pp 165. 14 Robert L. Mott , Mecánica de Fluidos Aplicada Prentice Hall México. pp. 222,223 15 Ídem. pp. 242-243 16 Ídem. pp. 240 17 Ídem. pp. 240 18 Ídem. pp. 240 19 Ídem. pp.238-239 20 Ídem. pp.253-255 21 Ídem. pp.254 22 Ídem. pp.255 23 Ing. Sergio Zepeda. Manual de instalaciones Hidráulicas, sanitarias, gas, aire comprimido y

vapor 2ª edición Ed. Limusa México pp. 33-34 24 Ídem. pp. 40-41 25 Robert L. Mott , Mecánica de Fluidos Aplicada Prentice Hall México. pp. 283 26 Normas técnicas complementarias para el diseño y ejecución de instalaciones hidráulicas

pag 159 27 Robert L. Mott , Mecánica de Fluidos Aplicada Prentice Hall México. pp. 438-439 28 Ídem. pp. 239 29 Reglamento de construcción del Distrito Federal pág 33 30 http://bases.elregante.com/ 31 Manual Aurora Picsa pagina 2 32 http://es.wikipedia.org/wiki/Nomograma 33 Robert L. Mott , Mecánica de Fluidos Aplicada Prentice Hall México. Pag 256 34 Ing. Sergio Zepeda Manual de instalaciones Hidráulicas, sanitarias, gas, aire comprimido y

vapor 2ª edición. Ed. Limusa México pags 476-478 35 Normas de diseño de ingeniería, ingeniería hidráulica, sanitaria y especiales del Instituto

Méxicano del Seguro Social distribución de agua fría pág 10 36 Manual de diseño hidráulico IMSS pág 10 37 Manual de diseño hidráulico IMSS pág 15 38 Manual de diseño hidráulico IMSS pág 15

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39 Enrique Harper, Manual de instalaciones electromecánicas en casa y edificios, hidráulicas, sanitarias, aire acondicionado, gas, electricidad y alumbrado Editorial Limusa págs.. 107-108

40 http://www.savinobarbera.com/espanol/teoria.html 41 Catálogo de equipos Pedrollo 2005 pág. 32 42 Curva de operación manual sección 340 Picsa 43 Curva de operación manual sección 340 Picsa 44 http://www.picsabombas.com.mx/home/hidro2.html 45 http://www.picsabombas.com.mx/home/hidro2.html 46 Manual de procedimiento para el cálculo y selección de sistema de bombeo, sistemas

hidroneumáticos c. a 47 Enrique Harper, Manual de instalaciones electromecánicas en casa y edificios, hidráulicas,

sanitarias, aire acondicionado, gas, electricidad y alumbrado Editorial Limusa, México. pág. 101

48 Revista electrónica mh3 tanques hidroneumáticos 49 http://www.plantasdetratamientos.cl/bacterias-y-bombas-electricas/ 50 http://www.picsabombas.com.mx/home/hidro1.html 51 Manual de propietario hidroneumáticos Evans 52 Manual bombas picsa pág 2 53 http://www.grifocont.com/hidroneumaticos.htm 54 Catálogo Well mate pág 7. 55 Catálogo tanques wex troll pág 3 56 Introducción a tuberías de succión y descarga manual Picsa página 5 57 Bolsas de aire http://www.traxco.es/blog/tecnologia-del-riego/el-aire-en-las-tuberias 58 Imágenes tomadas del video cavitación y npsh. Youtube 59 http://www.youtube.com/watch?v=zowQiteQL2I&feature=related 60 Línea de succión manual Picsa pagina 5 61 http://www.airflex.cl/VALVULAS-DE-COMPUERTA-HI_VALVULA-DE-PIE_VALVULA-

CHECK-RESORTE-Y-FILTRO-KIT.htm 62 http://www.miber.com.mx/productos-valvulas-metalicas.html 63 http://www.comercioindustrial.net/productos.php?id=juntas%20metalicas&mt=juntas 64 Figura 22 instalación correcta de las juntas de expansión manual Picsa pág 6 65 Catalogo siemenes, square d 66 http://www.hnb-chnik.com/productos.asp?IdCategoria=1&IdSubCategoria=1&pagina=4 67 http://www.asesoreshidromecanicos.com.mx/p_accesorios.html 68 http://www.infored.com.mx/anuncios/arrancadores-magneticos.html 69 Manual del usuario Evans pág 16. 70 Apuntes Metodología Pedrollo 71 Manual de cálculo de Pedrollo pág. 12 72 http://www.protechno.com.mx/ 73 Manual de cálculo de Pedrollo pág. 25 74 Manual de cálculo Pedrollo pág. 28 75 Manual de cálculo Pedrollo pág. 29 76 revista electrónica mh3 tanques hidroneumáticos 77 Catalogo Pedrollo pág. 29 78 Carta de selección Picsa serie 320 pág. 402 79 Carta de selección Tanques Myers.

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Anexo

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