UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA · Figura 1.13 Arduino Genuino MEGA ... tipos de válvulas,...
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO PROYECTO TÉCNICO: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA MINIMIZAR EL DESPERDICIO DE AGUA EN TUBERÍAS DE AGUA CALIENTE” AUTOR: CHRISTIAN PAÚL CÁRDENAS GUARACA TUTOR: ING. XAVIER SERRANO GUERRERO M.Sc CUENCA – ECUADOR 2018
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO
PROYECTO TÉCNICO:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA
MINIMIZAR EL DESPERDICIO DE AGUA EN TUBERÍAS
DE AGUA CALIENTE”
AUTOR:
CHRISTIAN PAÚL CÁRDENAS GUARACA
TUTOR:
ING. XAVIER SERRANO GUERRERO M.Sc
CUENCA – ECUADOR
2018
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
Yo, Christian Paúl Cárdenas Guaraca con documento de identificación N°
0105411557, manifiesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica Salesiana
la titularidad sobre los derechos patrimoniales en virtud de que soy autor del trabajo
de titulación: “Diseño y construcción de un prototipo para minimizar el desperdicio
de agua en tuberías de agua caliente”, mismo que ha sido desarrollado para optar
por el título de: Ingeniero Electrónico, en la Universidad Politécnica Salesiana,
quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos
anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi condición
de autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia,
suscribo este documento en el momento que hago entrega del trabajo final en
formato impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad Politécnica Salesiana.
Cuenca, 31 de julio del 2018
Christian Paúl Cárdenas Guaraca
CI 0105411557
CERTIFICACIÓN
Yo, declaro que bajo mi tutoría fue desarrollado el trabajo de titulación: “Diseño y
construcción de un prototipo para minimizar el desperdicio de agua en tuberías de
agua caliente”, realizado por Christian Paúl Cárdenas Guaraca, obteniendo el
Proyecto Técnico que cumple con todos los requisitos estipulados por la Universidad
Politécnica Salesiana.
Cuenca, 31 de julio del 2018
Ing. Xavier Serrano Guerrero M.SC
CI 0104983382
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
Yo, Christian Paúl Cárdenas Guaraca con número de cédula 0105411557, autor del
trabajo de titulación: “Diseño y construcción de un prototipo para minimizar el
desperdicio de agua en tuberías de agua caliente”, certifico que el total contenido
del Proyecto Técnico es de mi exclusiva responsabilidad y autoría
Cuenca, 31 de julio del 2018
Christian Paúl Cárdenas Guaraca
CI 0105411557
I
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mis abuelos, padres y hermanos por su cariño,
inspiración, paciencia y apoyo incondicional en todo
momento. Gracias por ser mis guías y maestros, ya que por
ustedes he llegado a ser lo que soy.
Un agradecimiento especial al Ingeniero Xavier Serrano,
director de este proyecto, por su guía, dedicación y
paciencia para la culminación de este trabajo.
Agradezco además a mis mentores del proyecto StartUPS
de la Universidad Politécnica Salesiana por potenciar mis
competencias blandas que son de gran utilidad en la
cotidianidad y a la carrera de Ingeniería Electrónica por ser
la guía en mi búsqueda por el conocimiento durante este
largo periodo.
Christian Paúl Cárdenas Guaraca
II
DEDICATORIA
Con mucho cariño a mis padres, hermanos, familiares,
mentores y amigos que estuvieron conmigo apoyándome
durante todo mi recorrido universitario, brindándome su
buena energía y la motivación suficiente para lograr escalar
un peldaño más de mi vida académica.
Christian Paúl Cárdenas Guaraca
III
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ I
DEDICATORIA .............................................................................................................. II
ÍNDICE GENERAL ......................................................................................................... III
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... V
ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................... VII
RESUMEN ................................................................................................................. VIII
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... IX
ANTECEDENTES DEL PROBLEMA DE ESTUDIO .............................................................. X
JUSTIFICACIÓN (IMPORTANCIA Y ALCANCES) ............................................................ XII
OBJETIVOS ............................................................................................................... XIII
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................. XIII
OBJETIVOS ESPECÍFICO ........................................................................................ XIII
CAPÍTULO 1: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ................................................................... 1
1.1 El desperdicio del agua ...................................................................................... 1
1.2 Estado del arte .................................................................................................... 3
1.3 Instrumentación .................................................................................................. 7
1.3.1 Dispositivos electrónicos ........................................................................... 7
1.3.1.1 Fuentes de alimentación de energía eléctrica ..................................... 7 1.3.1.2 Sensores .............................................................................................. 9
1.3.1.3 Controlador arduino .............................................................................. 10 1.3.2 Dispositivos Electromecánicos ............................................................ 10 1.3.2.1 Relé ....................................................................................................... 10 1.3.2.2 Válvulas de control eléctrico ................................................................ 11
1.3.2.3 Bomba hidráulica. ............................................................................ 13 1.4 Metodología de diseño de sistemas hidráulicos .......................................... 15
1.4.1 Cálculos necesarios para el diseño del sistema hidráulico y
dimensionamiento de bombas hidráulicas. ............................................................ 17
CAPÍTULO 2: MARCO METODOLÓGICO ....................................................................... 21
2.3 Requerimientos de Diseño ........................................................................... 21
2.1.1 Diseño Conceptual, Configuración y especificaciones operacionales del
esquema. ........................................................................................................... 23
2.1.2 Cálculo preliminar (Dimensionamiento y Selección) .......................... 29 2.1.2.1 Dimensionamiento de las bombas hidráulicas ................................. 30
CAPÍTULO 3:IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................... 39
IV
CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 49
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 51
APÉNDICE A: DIAGRAMA DE FLUJO DEL ALGORITMO IMPLEMENTADO ................... 54
V
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Porcentaje de desperdicio de agua en diez ciudades seleccionadas .......... 1
Figura 1.2 Desperdicio de agua, Cuestión de cultura ................................................. 2
Figura 1.3 Litros de agua que son desperdiciados en actividades diarias .................. 3
Figura 1.4 Consejos para el cuidado del agua en casa ............................................... 3
Figura 1.5 Esquema para reutilización de agua de lavamanos ................................... 4
Figura 1.6 Esquema para aprovechar el agua de lluvia .............................................. 4
Figura 1.7 Atomizador de agua, Nebia ........................................................................ 5
Figura 1.8 Sistema de ahorro de agua EVA drop ........................................................ 5
Figura 1.9 Sistema de ahorro de agua AquaReturn ..................................................... 6
Figura 1.10 Sistema de ducha de agua caliente U byMoenShower ............................. 6
Figura 1.11 Fuentes de energía DC ............................................................................. 7
Figura 1.12 Partes principales de una fuente de energía DC ...................................... 8
Figura 1.13 Arduino Genuino MEGA ........................................................................ 10
Figura 1.14 Modulo de Relé ....................................................................................... 10
Figura 1.15 Tipos de Válvulas .................................................................................... 12
Figura 1.16 Válvulas Solenoide ................................................................................. 13
Figura 1.17 Tipos de Bomba Hidráulica .................................................................... 14
Figura 1.18 Diagrama para el diseño de un Sistema Hidráulico .............................. 16
Figura 2.1 Esquema del Sistema de Realimentación Hidráulico ............................... 23
Figura 2.2 Paso 1, Funcionamiento del Prototipo ..................................................... 24
Figura 2.3 Paso 2, Funcionamiento del Prototipo ..................................................... 25
Figura 2.4 Paso 3, Funcionamiento del Prototipo ..................................................... 26
Figura 2.5 Paso 4, Funcionamiento del Prototipo ..................................................... 27
Figura 2.6 Paso 5, Funcionamiento del Prototipo ..................................................... 28
Figura 2.7 Medidas preliminares del prototipo ......................................................... 29
Figura 2.8 Puntos de caída de presión en el sistema hidráulico ............................... 30
Figura 3.1 Montaje del Prototipo ............................................................................... 40
Figura 3.2 Tiempo que tarda el dispositivo en drenar agua de cada punto de agua
caliente ....................................................................................................................... 41
Figura 3.3 Cantidad y caudal de agua obtenido al drenar de cada punto de agua
caliente. ...................................................................................................................... 41
VI
Figura 3.4 Tiempo que tarda el dispositivo en realimentar el agua desde el
contenedor hasta el sistema de tuberías de agua caliente ......................................... 42
Figura 3.5 Cantidad de agua realimentada al sistema de tuberías y caudal con el que
circula. ....................................................................................................................... 43
Figura 3.6 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 1 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 44
Figura 3.7 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 2 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 44
Figura 3.8 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 3 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 45
Figura 3.9 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 4 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 45
Figura 3.10 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 5 con y sin el
dispositivorealimentador ........................................................................................... 46
Figura 3.11 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 6 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 46
Figura 3.12 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 7 con y sin el
dispositivo realimentador .......................................................................................... 47
VII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2. 1 Cantidad en litros de agua fría que son emitidos antes del agua caliente en
cada punto y tiempo que tarda. .................................................................................. 22
Tabla 2. 2 Características técnicas del Calefón utilizado en el proyecto[29]. ........... 22
Tabla 2. 3 Tabla para calcular el Factor de Fricción de Darcy[25] ............................ 32
Tabla 2. 4 Tabla de rugosidad absoluta de los materiales [12], [25] ......................... 33
Tabla 2. 5 Tabla de coeficientes k de fricción de algunos aditamentos[12], [25] ..... 34
Tabla 2. 6 Tabla de elementos necesarios para la construcción del prototipo ........... 36
Tabla 2. 7 Características de las Electroválvulas seleccionadas para el proyecto [24]
.................................................................................................................................... 36
Tabla 2. 8 Características de las bombas hidráulicas seleccionadas para el proyecto
[30] ............................................................................................................................. 37
Tabla 2. 9 Características del Sensor de temperatura seleccionado para el proyecto
[31] ............................................................................................................................. 37
Tabla 2. 10 Características del Sensor de flujo seleccionado para el proyecto [32] .. 37
Tabla 2. 11Características del Sensor de nivel seleccionado para el proyecto [33] .. 37
Tabla 2. 12 Características de la fuente de voltaje[20] .............................................. 38
Tabla 2. 13 Características del microprocesador implementado en el proyecto [21] 38
Tabla 2. 14 Características del Módulo relé 8 canales [22] ....................................... 38
Tabla 3. 1 Tabla comparativa, Cantidad de agua fría emitida y drenada de la tubería
de agua caliente .......................................................................................................... 42
Tabla C. 1 Notaciones Aplicadas al Diagrama de Flujo del Algoritmo Implementado.
.................................................................................................................................... 54
VIII
RESUMEN
El presente proyecto de titulación con enfoque general describe el proceso de diseño
e implementación de un sistema para minimizar el desperdicio de agua en tuberías de
agua caliente con el objetivo de proveer de una herramienta para la preservación de
uno de los recursos de mayor importancia, el agua. La problemática a resolver surge
al requerir agua caliente en nuestros hogares y tener que esperar por ella a la
temperatura adecuada. En esta espera se desperdicia varios litros de agua que van
directo al drenaje. Esto sucede en la mayoría de hogares y también en la industria. El
sistema se ha elaborado bajo la guía de una metodología para el desarrollo de
sistemas hidráulicos, la cual consta de distintas fases. En una primera fase la
metodología plantea el conocimiento de todos los requerimientos para el diseño del
sistema hidráulico,como, por ejemplo: tipos de válvulas, tuberías, bombas
hidráulicas, sensores y algunos elementos electrónicos que se presentan en el marco
teórico, además de tener conocimiento de los distintos dispositivos creados y
existentes en el mercado que puedan ser comparables con el que se va a desarrollar.
Como segundo punto se encuentra los cálculos necesarios para el dimensionamiento
de bombas hidráulicas, elementos hidráulicos y electrónicos. La metodología
continua con el análisis de viabilidad del sistema y los componentes que lo
conforman, la implementación del sistema hidráulico y pruebas de funcionamiento.
En este caso el sistema estáelaborado con componentes que se pueden encontrar en el
mercado ecuatoriano, y las características tanto de cálculo como en la práctica
resultaron óptimas para el correcto desenvolvimiento del sistema. El proyecto
cumple su objetivo de minimizar el desperdicio de agua en tuberías de agua caliente
dando como resultado un ahorro de 20 litros de agua como mínimo por día en una
familia de 5 miembros.
IX
INTRODUCCIÓN
El creciente índice poblacional en el planeta limita los recursos que en el existen,
como resultado de este crecimiento se obtiene modificaciones en el ciclo natural de
algunos recursos naturales[1]. Uno de estos recursos más afectados es el agua que a
pesar de su gran concentración en el planeta solo el 1% es apta para el consumo
humano[1], [2]. Se suma a esto la mala utilización de las fuentes hídricas, pero si
bien es cierto no es un tema nuevo los constantes informes emitidos en favor del
buen cuidado del agua, aun así en los últimos tiempos paso de ser un tema del cual
hablar a un tema por el cual preocuparse, debido al debilitamiento de las fuentes
hídricas y la escasez en muchos pueblos del planeta[1]. Esta notable preocupación
por la preservación de los recursos ha desencadenado en la implementación de varias
técnicas que aporten a solventar estas problemáticas y van de la mano con la
elaboración de dispositivos que faciliten cuidar el medio ambiente[3]. En las
ciudades el desperdicio del recurso hídrico es notable, pero cabe recalcar que este
mal uso no se da solo por las personas en actividades diarias, existe también perdidas
del líquido por instalaciones domiciliarías en pésimas condiciones, fugas en tuberías
internas, grifos que gotean, y otros[4], [5]. Una actividad diaria que todos
practicamos en el aseo es tomar una ducha, y quizá se pase por alto, pero al requerir
agua caliente para el aseo antes de que esta agua caliente sea emitida por el grifo o
por la ducha se desperdicia cierta cantidad de agua fría, que en la mayoría de los
casos es vertida directamente al drenaje[3], [6]. Algunas personas que se han
percatado de esta problemática y recogen el agua para darle un uso futuro, pero en su
mayoría resulta inusual, tedioso y una pérdida de tiempo preocuparse por este
desperdicio de agua[3]. Por lo cual, en este documento se presenta el desarrollo de un
dispositivo que brinda una herramienta y una opción para la preservación del agua
que es desperdiciada en tuberías de agua caliente, preocupándose por el confort de
las personas que conscientemente o inconscientemente desperdician este preciado
recurso.
X
ANTECEDENTES DEL PROBLEMA DE ESTUDIO
El agua como sustancia de mayor abundancia en el planeta, representa uno de los
recursos naturales más importantes y la base de la existencia de toda forma de vida,
se considera un recurso renovable cuando su uso, tratamiento, liberación, circulación,
es controlado de manera cuidadosa, de lo contrario puede ser considerado no
renovable [1], [7]. El mal uso deeste recursoy la degradación de los ecosistemas son
dos de los más grandes problemas que afectan al desarrollo sostenible[1], [8]. Incide
también, el crecimiento poblacional y su demanda de agua, la falta de cumplimiento
de normas y la ausencia de una aplicación de sanciones rigurosas a los agresores
ambientales [7], [8]. La calidad del agua se ve alterada por: el vertimiento de aguas
residuales, residuos agroquímicos, componentes tóxicos y cualquier contaminante
que pueda desplazarse hasta los cuerpos de agua [1], [8]. Como potenciales agentes
de contaminación están los asentamientos poblacionales, las actividades industriales
y agropecuarias[8].
El agua es utilizada principalmente en la agricultura y en la industria, en nuestra
alimentación, el aseo personal y las labores domésticas, por lo cual, en casa, los
consumidores tenemos muchas oportunidades para optimizar su consumo y cuanto
pagamos por ella [2], [9]. El desperdicio de agua en Cuenca llega a un 60%[4], y se
puede decir que en comparación con la zona residencial, las industrias malgastan en
mayor medida el líquido vital[2], [4]. Lavado de vehículos, riego de jardines, fugas
de agua que no son controladas, llaves abiertas en los hogares e instituciones,
hidrantes en uso, duchas prolongadas son, entre otras, las causas para que cada día
aumente la demanda y el gasto de agua en la ciudad[1], [7], [9].
La empresa Etapa invierte alrededor de $ 71 millones para lograr cubrir la demanda
del líquido vital en los últimos años [4], [7], sin embargo los caudales han
disminuido según un informe emitido por el director técnico de Agua Potable de la
empresa[7]. El funcionario manifestó que la empresa estaba produciendo 4 millones
de metros cúbicos de agua potable mensualmente, pero hoy se han reducido. La
reducción obedece a factores como: brindar una mejor calidad de agua, una potencia
más precisa en las redes de distribucióncon el fin de controlar las pérdidas del fluido,
fugas, problemas con conexiones domiciliarias clandestinas y el cambio climático
XI
que ha afectado al parque nacional cajas, que sirve de fuente principal del líquido en
la ciudad[7].
Los cuencanos en promedio consumen hasta 300 litros de agua por habitante al día.
La Organización Mundial de la Salud recomienda un consumo de 80 litros diarios
por persona [1], [7]. En comparación, se puede ver que la cifra de consumo es muy
alta en la ciudad de Cuenca. El problema comienza en los hogaresno solo con la mala
utilización del recurso, sino con las fugas de líquido que no pueden detectarse, es
decir fugas internas del sistema de distribución de agua[8], [10].
Teniendo en cuenta que se utiliza una gran cantidad en las labores cotidianas de cada
miembro en el hogar. La necesidad de cuidar de este líquido fundamental para la
vida, ha incentivado a proponer diversas técnicas y dispositivos, para aprovecharla en
su totalidad, además el cuidado del agua se basa en la cultura de la gente y la
concientización de cuán importante es este líquido [1], [8], [9].
XII
JUSTIFICACIÓN (IMPORTANCIA Y ALCANCES)
La organización mundial para la salud en una campaña continua por eladecuado
manejo del agua y el derecho de todas las personas a su acceso libre y de calidad,
expresa su deseo de incentivar la creación de nuevos métodos que se adapten a la era
tecnológica y minoricen el desperdicio del recurso hídrico que es de suma
importancia para la preservación de toda ser vivo sobre el planeta [1], [8].
El tema medio ambiental para la sociedad actual no pasa desapercibido, cada vez son
más las personas consientes que tratan de aportar al buen manejo de los recursos
naturales, la conservación de ecosistemas y la vida animal[3], [8]. Se habla mucho de
la disminución de la huella hídrica, tema que causa mucha tendencia entre las
personas y provoca la búsqueda de nuevas técnicas y herramientas que ayuden a
disminuirla[3], [11]. El mercado se ajusta a las necesidades de las personas y al
momento existen algunos dispositivos que ayudan a disminuir la huella hídrica sin
influir en las labores cotidianas[3], [12].
Existen algunas técnicas y procedimientos que nacen del ingenio de ambientalistas
preocupados por el buen manejo del recurso hídrico, pero estas tareas muchas veces
resultan tediosas o incurren en grandes porciones de tiempo quedando descartadas
por las personas[3], [8]. Proponer sistemas automatizados para el cuidado del agua
no solo apoya la intervención de la ingeniería en este tema actual de gran
preocupación, sino que también simplifica la labor del usuario y le brinda confort
para cumplir con el buen manejo de tan preciado recurso[3], [10], [12].
Aportar en el cuidado y manejo responsable del agua no solo contribuye a la
preservación del medio ambiente y los ecosistemas, en los hogares contribuye al
ahorro económico del monto mensual que se puede llegar a pagar por el recurso y de
igual manera ayuda a disminuir el gran trabajo que las empresas públicas de
tratamiento y distribución de agua efectúan día a día. Por ejemplo, en la ciudad de
Cuenca la empresa Etapa invierte cerca de $71 millones para garantizar la demanda
del líquido en los habitantes de la ciudad [7], minimizar esta demanda no solo cuida
el recurso natural sino también el recurso monetario de los pueblos.
XIII
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
• Realizar el diseño y construcción de un prototipo que minimiza el desperdicio
de agua en tuberías de agua caliente.
OBJETIVOS ESPECÍFICO
• Realizar una revisión de los distintos métodos y dispositivos existentes y que
estén enfocados al cuidado del agua en tuberías de agua caliente mediante un
estudio de mercado y revisión bibliográfica, obteniendo material de respaldo
para la realización del prototipo.
• Diseñar la estructura del sistema y los componentes a utilizar.
• Analizar la viabilidad del diseño su optimización de recursos.
• Implementar el sistema de realimentación hidráulica en una tubería de agua
caliente.
• Realizar pruebas y análisis del desempeño del sistema comparándolo con
patrones conocidos.
1
CAPÍTULO 1: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 EL DESPERDICIO DEL AGUA
El agua es uno de los recursos más importantes e imprescindibles para la vida
humana en este planeta, cubre las 3/4 partes de la corteza terrestre[1], [9], pero de
toda esta gran proporción un poco más del 1% es agua dulce y que puede ser
consumida por las personas[1]. El incremento de la población a nivel mundial es una
de las razones de la escasez del recurso hídricoque afecta a más del 40% de la
población y ha desencadenado una serie de desastres que atentan contra la vida
humana[1], [8]. Es nuestro deber cuidar y no desperdiciar este noble recurso, para
perpetuar la existencia de todo ser vivo sobre nuestro planeta.
La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, OECD, expone un
ranking de 10 ciudades seleccionadas donde se desaprovecha en un mayor porcentaje
el recurso hídrico[8]:
Figura 1.1 Porcentaje de desperdicio de agua en diez ciudades seleccionadas
Fuente: OCDE, Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico.
Esta organización se basa en un estudio realizado en criterios de seguridad del agua,
abastecimiento, saneamiento, manejo de aguas residuales, drenajes y tratamiento. En
la tabla evidenciamos que México cuenta con un mayor índice de desperdicio de
agua y se estima que cada persona consume alrededor de 430 litros de agua al día[8].
2
Por otro lado la Organización Mundial de la Salud recomienda que debiera existir un
consumo de 80 litros diarios por persona, esto quiere decir que en comparación
México consume un 500% más de agua que el recomendado[1].
Figura 1.2 Desperdicio de agua, Cuestión de cultura
Fuente: OCDE, Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico.
En nuestro país no pasa desapercibido el desperdicio de agua, y se puede evidenciar
en un informe emitido por ETAPA EP, Empresa pública municipal de
telecomunicaciones, agua potable, alcantarillado y saneamiento de Cuenca-Ecuador,
que los cuencanos consumen alrededor de 160 a 300 litros por persona[7].
Si bien el desperdicio de agua es un problema evidente no solo depende del mal uso
por parte de las personas sino también se debe a infraestructuras deficientes, fugas
que no son percibidas a simple vista, problemas con las conexiones domiciliarias
clandestinas y otros[2], [4], [8]. Pero no todo son problemas sin resolver y nos
apoyamos en el ingenio de las personas que han desarrollado ideas para aprovechar
el recurso, y pueden ir desde una manera correcta de cerrar los grifos, lavar el
automóvil, cepillarnos los dientes y dispositivos muy complejos que optimicen el
consumo del líquido vital[4], [8].
3
Figura 1.3 Litros de agua que son desperdiciados en actividades diarias
Fuente: El Telégrafo en cooperación con Interagua.
1.2 ESTADO DEL ARTE
Para resolver el desperdicio de agua se requiere ingenio, a continuación,se evidencia
desde las soluciones más simples hasta las soluciones más complejas en cuanto
refiere al aprovechamiento del recurso hídrico[4].
Figura 1.4 Consejos para el cuidado del agua en casa
Fuente: El Telégrafo en cooperación con Interagua.
4
Se puede sumar a esto algunos dispositivos ingeniosos creados para mejorar el
aprovechamiento del recurso.
Figura 1.5 Esquema para reutilización de agua de lavamanos.
Fuente: Revista “Vida Lucida”, Ideas para recolectar y reutilizar el agua de lluvia.
Este dispositivo recolecta el agua utilizada en el lavamanos para luego ser bombeado
al tanque del inodoro y así utilizar menos agua en cada descarga[13].
Figura 1.6 Esquema para aprovechar el agua de lluvia.
Fuente: Revista “Vida Lucida”, Ideas para recolectar y reutilizar el agua de lluvia
Otra manera para minimizar el consumo de agua en los hogares es acumular el agua
de lluvia como se muestra en la imagen, con el fin de utilizarla para actividades que
no tengan que ver con el consumo humano[13].
Ahora bien, centrando el estudio al aprovechamiento del recurso hídrico en tuberías
de agua caliente se puede observar algunas soluciones propuestas, ya que la mayor
cantidad de agua se desperdicia al abrir el grifo o la ducha y esperar por el agua
5
caliente. Se estima que el desperdicio en este tiempo de espera va de unos 4 a 20
litros de agua dependiendo la distancia a la que se encuentre el grifo o ducha del
sistema calentador de agua[6], [10].
La solución más práctica es recolectar toda el agua fría en cubetas que luego pueden
ser utilizadas en otras actividades[13].
Otra solución es utilizar un dispositivo mecánico que sustituye a la ducha tradicional
llamado atomizador de agua, el cual aprovecha la presión de las tuberías para
minimizar la salida de agua y prácticamente provocar una brisa, de esta forma, el
agua cubre una superficie mucho mayor con mucha menos cantidad[14].
Figura 1.7 Atomizador de agua, Nebia.
Fuente: Ducha de Spa Nebia
En relación con el dispositivo que se plantea construir existe en el mercado actual
algunos que prometen minimizar el desperdicio de agua.
• EVA drop
Dispositivo usado en la ducha que evita el desperdicio de agua fría. El
dispositivo se conecta a una aplicación móvil a la que envía lasestadísticas de
flujo de agua, temperatura y tiempo de cada periodo de uso. Puede
programarse un tiempo límite para una ducha[15].
Figura 1.8 Sistema de ahorro de agua EVA drop.
Fuente: Evadrop World’s first smart shower
6
• Aquareturn
AquaReturn es un dispositivo de pequeño tamaño, que impide la pérdida de
agua esperando a que ésta salga caliente, ahorra aproximadamente 10.000
litros de agua por persona al año[16].
AquaReturn está diseñado para una fácil implementación y uso en
instalaciones con calentador, termo o caldera individual, y en viviendas con
agua caliente proveniente de placas solares[16].
Figura 1.9 Sistema de ahorro de agua AquaReturn
Fuente: Empresa AquaReturn
• U by Moen Shower
Una ducha completamente automatizada. Se puede programar la
temperatura, tiempo y el flujo de agua, y otras características más desde
una aplicación móvil. Además puede ser controlada por comandos de
voz[17].
Figura 1.10 Sistema de ducha de agua caliente U byMoenShower
Fuente: Empresa Moen
7
1.3 INSTRUMENTACIÓN
La instrumentación relaciona a todos los elementos o el grupo de elementos que son
utilizados para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un
proceso con el objetivo de optimizar los recursos aplicados. Otra parte importante de
la instrumentación se refiere al correcto conocimiento y aplicabilidad de un conjunto
de elementos encaminados a automatizar un proceso[18], [19].
1.3.1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
1.3.1.1 Fuentes de alimentación de energía eléctrica
Una fuente de alimentación o fuente de potencia es un sistema que convierte un nivel
de energía en otro.En electrónica una fuente puede ser de voltaje o de corriente, y
convierte un nivel de energía eléctrica alterna en energía eléctrica continua[20].
En la actualidad todos los dispositivos electrónicos que forman parte de nuestra vida
cuentan con una fuente de energía continua ya sea de corriente o de voltaje. Su
aplicación es tan necesaria e indispensable que no se puede omitir su estudio en
cualquier proyecto electrónico. Además, no todas las fuentes de energía continua son
iguales, debido a que cada sistema electrónico que van a suministrar tiene diferentes
requerimientos, de potencia[20].
Figura 1.11 Fuentes de energía DC
Fuente: Arduinofórum
8
Las partes principales con las que consta una fuente de energía continua son[20]:
• Transformador
• Rectificador
• Filtro
• Regulador o Estabilizador
El Transformador: su función principal es modificar el nivel de voltaje que se
suministra al sistema.
El Rectificador: es el encargado de convertir la energía eléctrica alterna en continua.
En general se utiliza diodos para esta parte del diseño de la fuente.
El Filtro: acondiciona la señal continua y aísla la componente alterna de la continua.
Un elemento muy usado en esta sección son los capacitores.
El Regulador: trata de mantener la señal continua estable y un suministro continuo
de energía hacia el sistema que se desea alimentar.
Para elegir correctamente la fuente de tensión se debe tener en consideración que la
fuente proporcione más corriente que la necesaria para el sistema, el voltaje que se
debe suministrar para que los dispositivos electrónicos no corran riesgo de
estropearse sea el correcto y tomar en consideración las pérdidas de potencia en
todos los componentes de la fuente[20].
Figura 1.12 Partes principales de una fuente de energía DC
Fuente: Arduinofórum
9
1.3.1.2 Sensores
Los sensores son dispositivos capaces de transformar magnitudes físicas o químicas,
también conocidas como variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas, o
señales eléctricas capaces de ser interpretadas[18].
El tipo de sensor depende de la variable que vaya a medir, y pueden ser[18]:
• De contacto.
• Ópticos.
• Térmicos.
• De humedad.
• Magnéticos.
• De infrarrojos.
Algunos ejemplos son:
Posición angular o lineal
• Potenciómetro
• Encoder
Desplazamiento y deformación
• Gala extensiométrica
• Magnetoestrictivos
• LVDT
Velocidad lineal y angular
• Dinamo tacométrico
• Encoder
• Inclinometro
• RVDT
• Giróscopio
Aceleración
• Acelerómetro
• Fuerza y par (deformación)
• Galgas extensiométricas
• Triaxiales
Presión
• Membranas
• Piezoeléctri
cos
• Manómetros digitales
Caudal
• Turbina
• Magnético
Temperatura
• Termopar
• RTD
• Termistor
NTC
• Termistor
PTC
• Bimetal
Presencia
• Inductivos
• Capacitivos
• Ópticos
Táctiles
• Matriz de contactos
• Piel artificial
Proximidad
• Capacitivo
• Inductivo
• Fotoeléctrico
Acústico
• Micrófono
Sensor de acidez
• ISFET
Luz
• Fotodiodo
• Fotorresistencia
• Fototransistor
Captura de movimiento
• Sensor inercial[18].
10
1.3.1.3 Controlador arduino
Arduino es una plataforma de hardware libre, consta de una placa electrónica con un
microcontrolador y terminales diseñadas para facilitar el uso de periféricos y
elementos electrónicos. Cuenta con un lenguaje de programación bastante
simple[21].
Figura 1.13Arduino Genuino MEGA
Fuente: Arduino fórum
1.3.2 DISPOSITIVOS ELECTROMECÁNICOS
1.3.2.1 Relé
Es un dispositivo electromagnético que tiene una función similar a la de un
interruptor, el cual abre o cierra un circuito al administrarse corriente en sus
terminales. Internamente cuenta con una bobina y un electroimán que son los
encargados de conectar o desconectar un sistema, también gracias a su configuración
los relés son utilizados para aislar un sistema de otro[22].
Figura 1.14 Modulo de Relé
Fuente: Arduino fórum
11
1.3.2.2 Válvulas de control eléctrico
Las válvulas son las encargadas de modificar el caudal de un fluido y pueden ser
comandadas por una actuación mecánica, neumática o eléctrica. El proyecto
propuesto requiere directamente de válvulas de control eléctrico o más conocidas
como electroválvulas, pero para una correcta selección de estos instrumentos es
necesario conocer los diferentes tipos de válvulas existentes y la aplicación adecuada
de cada una[23].
Dependiendo su función las válvulas pueden ser elegidas por:
Detener o iniciar un flujo:interrumpe el flujo de la línea de forma total y cuando sea
preciso.
Regulación:modifica el flujo en cuanto a cantidad.
Retención: evita un retorno de fluido
Seguridad:protege equipos y personal contra la sobre presión.
Y según el tipo:
Válvula globo:ocupadas en procesos que no requieren de mucha presión y no
importa que exista fugas mínimas al cierre.
Válvula en ángulo:disminuye la erosión cuando esta es considerable debido a las
características del fluido. Apta para altas presiones diferenciales
Válvula de tres vías:usada para mezclar fluidos o para dividir flujos
Válvula de jaula:para procesos que manejan altas presiones, cuando se necesita
resistencia a las vibraciones y al desgaste.
Válvula en Y: es usada como válvula de cierre por su baja pérdida de carga y como
válvula de control.
Válvula de cuerpo partido:empleada para flujos viscosos, facilitando un flujo suave
del fluido sin espacios muertos en el cuerpo.
Válvula Saunders:para flujos agresivos con sólidos en suspensión, posee cierre
hermético.
12
Válvula Camflex: posee un obturador excéntrico rotativo y una gran capacidad de
caudal, de rápida acción, pero con gran perdida en la carga.
Válvula excéntrica:aplicadas en flujos corrosivos y viscosos con sólidos en
suspensión. Posee un obturador cilíndrico excéntrico, de alta hermeticidad, bajo
costo y alta capacidad.
Válvula mariposa:empleadas para el control de grandes flujos y a baja presión.
Posee cierre hermético.
Válvula de bola o esférica:apertura de ¼ de vuelta, con bola taladrada y giro entre
asientos elásticos. Permite una circulación directa en posición abierta. Su apertura es
rápida, para temperaturas moderadas y de resistencia mínima a la circulación.
Válvula de macho:apertura de ¼ de vuelta, controla la circulación por medio de un
macho cilíndrico o cónico con agujero en el centro. Aplicada en servicio general,
flujos corrosivos, líquidos, vapores y gases[18], [23].
Figura 1.15 Tipos de Válvulas
Fuente: Empresa Provaltec
13
Electroválvula o válvula solenoide: estas válvulas además de permitir o cerrar el
paso de un fluido en un circuito son capaces de ser controladas por un actuador
accionado por un campo magnético, que atrae o repele al embolo[24].
Estas electroválvulas pueden ser normalmente cerradas y normalmente abiertas[23],
[24].
Figura 1.16 Válvulas Solenoide
Fuente: Catalogo de Equipos y Controles Industriales
Criterios básicos para la elección de una válvula.
• Determinar el uso de la válvula en particular
• Conocer las condiciones de trabajo externas a las cuales se someterá la
válvula durante su vida útil
• Conocer el tipo de fluido con los cuales trabajará la válvula en la tubería
• Determinar el rango de presiones y temperatura a los cuales se someterá la
válvula en la tubería
• Determinar las condiciones de trabajo de la válvula respecto de su
accionamiento
• Determinar las medidas y tipo de conexión de la válvula[23].
1.3.2.3 Bomba hidráulica.
Es una maquina capaz de convertir la energía con la que es accionada, en un flujo
hidráulico, también según su función se puede definir como un aparato que permite
impulsar un líquido en una cierta dirección[25]. Este impulso de fluidos se le llama
energía del fluido y al ser incrementado, aumenta también la presión, velocidad y
14
caudal, todo esto relacionado con el comportamiento de fluido que nos indica el
principio de Bernoulli[25], [26].
Las bombas que se encuentran con frecuencia en el mercado están clasificadas de la
siguiente manera[25]:
Según el principio de funcionamiento:
• Bombas Volumétricas
o Bombas de embolo alternativo
o Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas.
• Bombas rotodinámicas
o Radiales o centrifugas
o Axiales
o Diagonales o helicocentrifugas
Según el tipo de accionamiento:
• Electrobombas
• Bombas neumáticas
• Bombas de accionamiento hidráulico
• Bombas manuales
• Motobombas diésel
Figura 1.17 Tipos de Bomba Hidráulica
Fuente: Catálogo de productos IMNASA
15
1.4 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS
La metodología para diseñar sistemas hidráulicos surge de la necesidad de responder
a requerimientos actuales para prototipos de alto rendimiento, sistemas sofisticados
en los cuales no puede aceptarse métodos basados en la experimentación de prueba y
error[18], [26]. Sin embargo para sistemas complejos un ingeniero debe recurrir a
herramientas más potentes y garantizar el diseño del sistema hidráulico, ya que desde
el punto de vista financiero es ilógico recurrir a sistemas en los cuales sus
componentes sean estimados y basados en criterios de conocimiento popular[26]. Por
esta razón recurrimos a la tecnología actual, y la utilidad de un software adecuado.
La simulación hoy en día es clave para el ahorro de recursos en la implementación de
sistemas de cualquier tipo y aunque no se puede estimar todas las variables que
pueden incidir en la implementación física de los sistemas, podemos obtener un
primer punto de vista de la funcionalidad de nuestro sistema [25], [26].
Para empezar con el diseño de un sistema hidráulico existen ciertos parámetros a
tener en consideración[26]:
• Esquema cinemático del sistema.
• Características técnicas del sistema.
• Esquema hidráulico principal.
• Condiciones y regímenes de explotación del equipo.
• Valores de las cargas y velocidades de los mecanismos del equipo,
accionados con mando hidráulico, para las máquinas de acción cíclica, el
diagrama de las cargas y velocidades de los órganos de trabajo.
El diseño del sistema hidráulico puede basarse en el siguiente diagrama[12], [26].
16
Figura 1.18 Diagrama para el diseño de un Sistema Hidráulico
Fuente: Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 14, núm. 2, 2005, pp. 18-22
Para diseñar un sistema hidráulico hay otras consideraciones que se puede tener[12],
[18], [26]:
• Conocimiento del sistema.
• Conocimiento de la física subyacente.
• Conocimientos matemáticos para la manipulación de las ecuaciones y su
conversión a un modelo adecuado.
• Conocimientos de programación para implementar el modelo matemático.
17
• Conocimientos de matemática numérica para entender la interacción entre el
modelo y los algoritmos usados para ejecutar la simulación.
• Habilidad para interpretar los resultados.
Cuando se dispone de software con interfaz gráfica y bibliotecas de componentes
predefinidos, se puede prescindir de las habilidades referidas a los
conocimientosmatemáticos y de programación[26].
1.4.1 CÁLCULOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA
HIDRÁULICO Y DIMENSIONAMIENTO DE BOMBAS
HIDRÁULICAS.
En los sistemas hidráulicos la energía requerida para su funcionamiento proviene
directamente de una bomba hidráulica que es considerada el corazón del sistema, y
posiblemente en caso de que el rendimiento del sistema no sea el óptimo se tenga que
redimensionar la bomba hidráulica[12], [18], [26]. Entonces decimos que la bomba
hidráulica es un generador de caudal, cuya función es mover o transferir fluidos de
un depósito, donde se mantienen a baja presión en una cantidad de tiempo
determinada[25].
Teniendo en cuenta la importancia de la bomba hidráulica, su dimensionamiento es
la prioridad del sistema. Primero debemos realizar un cálculo de cargas en una red de
distribución[26].
Ecuación de continuidad, debido al principio de conservación de energía que nos
dice que, “para un flujo permanente, la masa de un fluido que atraviese por una
sección de un conducto por un tiempo establecido es constante” y se representa en
la siguiente ecuación[12], [25]:
𝑤1 ∗ 𝐴1 ∗ 𝑉1 = 𝑤2 ∗ 𝐴2 ∗ 𝑉2 = 𝑤3 ∗ 𝐴3 ∗ 𝑉3 (𝑘𝑔/𝑠𝑒𝑔)
Ecuación 1. Ecuación de Continuidad
En donde:
𝑤 = Peso específico del fluido (𝑘𝑔/𝑚2)
𝐴 = Área o sección del conducto por el que atraviesa el fluido (𝑚2)
𝑉 = Velocidad del fluido (𝑚/𝑠)
18
Para fluidos incompresibles los pesos específicos entre un sistema y otro son los
mismos por lo tanto w1=w2=w3[25], la ecuación se convierte en:
𝐴1 ∗ 𝑉1 = 𝐴2 ∗ 𝑉2 = 𝐴3 ∗ 𝑉3 (𝑘𝑔/𝑠𝑒𝑔)
Ecuación 2. Ecuación de Continuidad para fluidos incompresibles
Para tuberías circulares por lo tanto es[12], [25]:
𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑉 = 𝜋 ∗ 𝐷2 ∗ 𝑉
Ecuación 3. Ecuación para calcular el caudal en tuberías circulares
Donde:
Q = Caudal (𝑚3/𝑠)
A = Área de la sección transversal del tubo (𝑚2)
D = Diámetro interno del tubo (m)
V = Velocidad media de la corriente (m/s).
Ecuación de Bernoulli, si se considera la aplicación de la energía al flujo de fluidos
en tubería. “La energía total en un punto cualquiera por encima de un plano
horizontal arbitrario, fijado como referencia, es igual a la suma de la altura
geométrica (Energía Potencial), la altura debida a la presión (Energía de Presión) y
la altura debida a la velocidad (Energía Cinética)”[12], [25], es decir:
𝐻 = 𝑍 +𝑃
𝑤 +
𝑉2
2 ∗ 𝑔
Ecuación 4. Ecuación de Bernoulli aplicada a tuberías circulares
Donde:
H = Energía total en un punto
Z = Energía Potencial
𝑃
𝑤 = Energía de presión
w = Peso Específico del agua = 1000 𝑘𝑔/𝑚2
19
𝑉2
2∗𝑔 = Energía Cinética
g = Aceleración de la gravedad = 9.8 𝑚/𝑠2
Si se considera las pérdidas y fuerzas de rozamiento la ecuación se escribe de la
siguiente manera[12], [25]:
𝑍1 + 𝑃1 +𝑉12
2 ∗ 𝑔 =
𝑍2
2 ∗ 𝑔 + 𝑃2 +
𝑉22
2 ∗ 𝑔 +
ℎ𝑓
2 ∗ 𝑔
Ecuación 5. Ecuación de Bernoulli considerando perdidas y fuerzas de rozamiento en tuberías
Se tiene que considerar también el comportamiento del flujo dentro de las tuberías,
por lo tanto[12], [25]:
Flujo Laminar: el comportamiento del flujo forma un perfil de velocidad simétrico
y en forma de parábola[25].
Flujo turbulento: el comportamiento del flujo se realiza de forma desordenada
debido a la alta presión que se encuentra[25].
Es importante considerar este tipo de comportamiento debido a que las pérdidas de
carga en la tubería se verán influenciadas por la velocidad y dirección del fluido,
Osborne Reynolds propuso una ecuación basada en la velocidad del fluido para
determinar este régimen de flujo en tuberías[12], [25].
𝑅𝑒 =𝐷 ∗ 𝑉 ∗ 𝜌
𝜇
Ecuación 6. Ecuación de número de Reynolds
Donde:
D= Diámetro de la tubería (m)
V= Velocidad del flujo (m/s).
ρ = Densidad del fluido (𝑔/𝑐𝑚3)
µ = Viscosidad
20
Al existir distintas conexiones en nuestro sistema hidráulico se tiene que considerar
las pérdidas de presión en cada componente, accesorio o unión que se realice, por
consiguiente[12], [25]:
ℎ𝑓 =𝐾 ∗ 𝑉2
2 ∗ 𝑔
Ecuación 6. Ecuación para determinar caídas de presión accesorios de tubería.
Donde:
hf = Caída de presión (m)
K = Coeficiente de resistencia según el tipo específico de válvula o conexión.
Los valores del coeficiente de resistencia (K) los podemos encontrar en las tablas de
características de cada componente[12], [25].
Para edificaciones consideradas comunes, viviendas o edificaciones pequeñas se
puede estimar las perdidas por fricción como el 10% de la altura de la edificación
más 5 o 7 metros para cubrir las pérdidas en las tuberías internas[18], [25].
Dimensionamiento de bombas hidráulicas
Para este caso en específicose puede utilizar el cálculo de un sistema tanque a tanque,
la potencia de la bomba por consiguiente será[12], [18], [25]:
𝐻𝑃 =𝑄 (𝑙𝑝𝑠) ∗ 𝐻 (𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠)
75 ∗ 𝑛%/100
Ecuación 7. Ecuación para determinar la potencia de la bomba hidráulica
Donde:
HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza.
Q = Capacidad de la bomba.
H = Altura total de la tubería.
n = Eficiencia de la bomba, que a los efectos del cálculo teórico se estima en 60% a
80%.
21
CAPÍTULO 2: MARCO METODOLÓGICO
El proceso para el diseño y construcción de un prototipo para minimizar el
desperdicio de agua en tuberías de agua caliente, se basa en la metodología para la
elaboración de un sistema hidráulico presentada en el diagrama de flujo de la figura
1.18 presentada en el capítulo 1, los pasos más aplicables a este sistema se muestran
a continuación [26].
2.3 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
Esta sección se basa en el análisis del comportamiento del sistema de agua caliente
en el hogar. Al utilizar un calefón se puede observar en la grifería que cierta cantidad
de agua fría es emitida antes del agua caliente. Al tomar una ducha muchas personas
desperdician esta agua fría echándola directamente al drenaje, se puede decir que
muchas son conscientes de aquello, pero otras no[9]. Al igual sucede en la industria
para muchos procesos textiles, cuero, producción de materiales, vidrio, polímeros y
otros, donde el agua debe estar a una temperatura adecuada para poder ser utilizada,
y al no estar en la temperatura correcta es desperdiciada[27].
Los requerimientos de diseño del prototipo son:
• Optimizar el uso del agua fría contenida en las tuberías de agua caliente, para
que el usuario obtenga agua caliente al instante [11].
• La segunda consideración es la capacidad de fluido en litros que se puede
acumular en las tuberías del hogar [3].
• Los distintos puntos en el hogar en los cuales se tiene grifería de agua
caliente y la distancia a la cual se encuentra del calentador de agua[10].
• El espacio del que se dispone para la implementación del prototipo junto al
calentador o calentadores de agua.
• El tiempo que le toma al agua caliente ser emitida por la grifería luego del
agua fría.
• El sistema debe ser completamente automático, independiente y no invasivo.
Esto quiere decir que el diseño del sistema debe ser el adecuado para que el
usuario no tenga la necesidad de realizar ninguna acción adicional a las
cotidianas al momento de utilizar el agua caliente. Además, el sistema no
modifica las características de la tubería ya instaladas en el inmueble [28].
22
La vivienda en la que se va a implementar el sistema cuenta con las siguientes
características:
• Altura de la edificación: 10m
• Área de construcción: 252𝑚2
• Número de pisos: 3
• Número de puntos de agua caliente: 7
• Espacio disponible para la implementación del prototipo: 2𝑚2
• Cantidad en litros de agua fría que son emitidos antes del agua caliente en
cada punto y tiempo que tarda, se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 2. 1 Cantidad en litros de agua fría que son emitidos antes del agua caliente en cada punto
y tiempo que tarda.
Número de
Grifo
Distancia aproximada
del calefón
Cantidad en litros
de agua fría
Tiempo de espera
por el agua
caliente.
1 2m 1.5l 10s
2 10m 6l 36s
3 7m 3l 18s
4 8m 3.5l 19s
5 13m 5.3l 32s
6 14m 5.5l 35s
7 8m 2l 14s
Tabla 2. 2 Características técnicas del Calefón utilizado en el proyecto[29].
Características técnicas Calefón
Capacidad 20 l/min
Tipo de encendido Automático, Electrónico
Caudal de agua mínimo 4.0 l/min
Presión de agua máxima 450kPa – 4,5bar
Entrada de agua fría RWG ½”
Salida de agua caliente RWG ½”
Entrada de gas RWG ½”
23
2.1.1 DISEÑO CONCEPTUAL, CONFIGURACIÓN Y
ESPECIFICACIONES OPERACIONALES DEL ESQUEMA.
En base a los requerimientos de diseño para este prototipo se plantea el esquema a
continuación:
Figura 2.1 Esquema del Sistema de Realimentación Hidráulico
El sistema planteado se encuentra configurado para ser instalado entre el calefón y la
tubería, de tal manera que no sea necesario modificar circuitos hidráulicos de la
edificación, de igual manera si se desea retirar el sistema no existirán daños o
alteraciones en el desempeño del calefón y las tuberías de agua caliente.
24
Funcionamiento:
1. El sistema inicia cuando el usuario acciona una llave de agua caliente
permitiendo el flujo de agua entre el punto de entrada de agua fría y el punto
de salida a la tubería de agua caliente. El sensor de temperatura TS y el
sensor de flujo FS se encuentran habilitados. Las válvulas V1 y V3 se
encuentran en un estado normalmente abierto. Las válvulas V2 y V4 se
encuentran en un estado normalmente cerrado. Las bombas hidráulicas M1 y
M2 se encuentran desactivadas. El sensor de nivel LS se encuentra
desactivado.
Figura 2.2 Paso 1, Funcionamiento del Prototipo
25
2. El controlador central adquiere datos provenientes del sensor de flujo FS
(circulación de agua de izquierda a derecha), y de la temperatura del agua, si
el líquido no se encuentra en una temperatura mayor a 20 °C (valor de
temperatura recomendado para una ducha agradable) [5] el sistema acciona la
electroválvula normalmente abierta V1, cerrando la entrada de agua fría e
inmediatamente acciona la electroválvula normalmente cerrada V4, se activa
la bomba hidráulica M2 y se empieza a drenar el agua fría de la tubería. El
sensor FS detecta un flujo contrario, el contenedor empieza a llenarse.
Figura 2.3 Paso 2, Funcionamiento del Prototipo
26
3. Cuando FS no detecta un flujo negativo, quiere decir que no existe más agua
en la tubería de la edificación. Se activa la electroválvula V3 cerrando el paso
de agua hacia la tubería. Se activa la electroválvula V2 al mismo tiempo que
la bomba hidráulica M1 y se forma un lazo cerrado entre el sistema y el
calefón. El agua circula por el calefón y el contenedor hasta que la
temperatura sea la adecuada para enviarla a la tubería de la edificación.
Figura 2.4 Paso 3, Funcionamiento del Prototipo
27
4. Cuando TS sensa una temperatura del agua mayor a 20 °C, el controlador
central permite el paso del fluido hacia la tubería de la edificación
desactivando la electroválvula V3. La electroválvula V4 y la bomba
hidráulica M2 se desactivan. M1 y V2 se accionan hasta que el sensor de
nivel LS pase a su estado inactivo.
Figura 2.5 Paso 4, Funcionamiento del Prototipo
28
5. Una vez que el sensor de nivel LS se haya desactivado quiere decir que el
contenedor se encuentra con un nivel bajo de agua. En este momento se
desactiva la electroválvula V1, permitiendo el funcionamiento normal del
sistema de agua caliente de la edificación.
Figura 2.6 Paso 5, Funcionamiento del Prototipo
29
2.1.2 CÁLCULO PRELIMINAR (DIMENSIONAMIENTO Y
SELECCIÓN)
Las consideraciones para el diseño del sistema establecidas en la sección 2.1 son de
vital importancia para dimensionar los elementos para la construcción del prototipo.
Las medidas de la tubería del sistema se acoplan al espacio disponible en el lugar de
implementación.
Figura 2.7 Medidas preliminares del prototipo
30
2.1.2.1 Dimensionamiento de las bombas hidráulicas
Bomba hidráulica M1
• Para determinar la potencia de una bomba se utiliza la siguiente ecuación.
𝑃𝐵(ℎ𝑝) =𝑄𝜌𝑔ℎ𝐵
746 𝑒
Ecuación 8. Ecuación para determinar la potencia de la bomba hidráulica
o 𝑄 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
o 𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑘𝑔
𝑚3)
o 𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 (9.81𝑚
𝑠2)
o ℎ𝐵 = 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 (𝑚)
o 𝑒 = 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
o 746𝑊 = 1ℎ𝑝
El término con el que no se cuenta es ℎ𝐵 , la cabeza neta de succión de la bomba.
Figura 2.8 Puntos de caída de presión en el sistema hidráulico
31
• ℎ𝐵se determina mediante la Ecuación de Bernoulli, balance de energía entre
el punto 1 y 3.
ℎ1 +𝑣1
2
2𝑔+
𝑃1
𝜑+ ℎ𝐵 = ℎ3 +
𝑣32
2𝑔+
𝑃3
𝜑+ ℎ𝑓1−3
Ecuación 9. Ecuación para determinar el balance de energía entre diferentes puntos
o ℎ = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑚)
o 𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙
o 𝑃 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙
o ℎ𝐵 = 𝐶𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 (𝑚)
o ℎ𝑓 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎𝑠
ℎ𝐵 = ℎ3 +𝑣3
2
2𝑔+ ℎ𝑓1−3 −
𝑣12
2𝑔
ℎ𝐵 = ℎ3 +𝑣3
2
2𝑔+ ℎ𝑓1−3
Es necesario calcular la velocidad 𝑣3 para continuar con el calculo
𝑣3 =𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙
𝑎𝑟𝑒𝑎=
𝑄
𝐴
Ecuación 10. Ecuación para determinar la velocidad de un fluido en base al caudal y el área
La tubería es de 1/2" por lo cual su diámetro interno nominal es de: 20mm
El caudal máximo con el que se va a trabajar es de 20 l/min debido a que este es el
caudal máximo con el que los calefones domiciliares trabajan.
𝑄 = 20𝑙
𝑚𝑖𝑛 ∙
1𝑚𝑖𝑛
60𝑠 ∙
1𝑚3
1000𝑙= 333.333𝑥10−6
𝑚3
𝑠
La velocidad 𝑣3 entonces es:
𝑣3 =333.333𝑥10−6 𝑚3
𝑠
𝜋 (0.01)2= 1.06103
𝑚
𝑠
Se debe calcular las pérdidas de carga en tuberías debido a la fricción desde el punto
1 hasta el punto 3, ℎ𝑓1−3
32
Esto se realiza mediante la ecuación de DarcyWeisbach:
ℎ𝑓 = 𝐹 𝐿
𝐷
𝑣2
2𝑔
Ecuación 11. Ecuación de DarcyWeisbach
o 𝐹 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦
o 𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎
o 𝐷 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎
ℎ𝑓1−3 = 𝐹 𝐿
𝐷
𝑣2
2𝑔+ ∑ 𝑘𝑐
𝑣32
2𝑔+ 𝑘𝑣
𝑣32
2𝑔+ 𝑘𝑡
𝑣32
2𝑔+ 10%(𝑘)
o 𝑘𝑐 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠,
𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠.
o 𝑘𝑣 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠,
𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎𝑠.
o 𝑘𝑡 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠, 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑇.
o 10%(𝑘) = 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛,
𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Tabla 2. 3 Tabla para calcular el Factor de Fricción de Darcy[25]
Régimen Coeficiente de Fricción Dependencia
Laminar 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 =64
𝑅𝑒 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 = 𝑓(𝑅𝑒)
Turbulento liso 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑖𝑠𝑜 →1
√𝑓= −2 ∙ log (
2,51
𝑅𝑒√𝑓) 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑖𝑠𝑜 = 𝑓(𝑅𝑒)
Turbulento
intermedio 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 →
1
√𝑓= −1,8 ∙ log (
6,9
𝑅𝑒+ (
𝜀𝑟1,11
3,7)) 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 𝑓(𝑅𝑒, ∈𝑟)
Turbulento rugoso 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑜 →1
√𝑓= −2 ∙ log (
𝜀𝑟
3,7) 𝑓𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑜 = 𝑓( ∈𝑟)
Como se puede observar el factor de fricción de Darcy depende de 𝑅𝑒, que es el
número de Reynolds y se calcula de la siguiente manera [12], [25].
𝑅𝑒 =𝑣𝐷𝜌
𝜇
Ecuación 12. Ecuación de número de Reynolds
o 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
o 𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎
33
o 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜, 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 998 𝑘𝑔/𝑚3
o 𝜇 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜, 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.005𝑥10−3 𝑝𝑎 ∙ 𝑠
𝑅𝑒 =1.06103
𝑚
𝑠∙ 0.02𝑚 ∙ 998 𝑘𝑔/𝑚3
1.005𝑥10−3 𝑝𝑎 ∙ 𝑠= 21072.9
Si el número de Reynolds es:
𝑅𝑒 > 4000 𝑒𝑠 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑅𝑒 < 2000 𝑒𝑠 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟
Entonces:
𝐹 =1.325
−𝐿𝑛 [𝜀
3,7∙𝐷+
5.74
𝑅𝑒0.9]
2
𝜀 = 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠
𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎
Tabla 2. 4 Tabla de rugosidad absoluta de los materiales [12], [25]
Material Ɛ(mm)
Acero Comercial 0.0460
Fundición asfaltada 0.1220
Hierro forjado 0.0500
Hierro fundido 0.2500
Hierro galvanizado 0.1500
Madera ensamblada 0.3050
PVC, plástico, cobre, latón, vidrio 0.0015
𝜀𝑃𝑉𝐶,𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜,𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒,𝑙𝑎𝑡ó𝑛,𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 = 0.0015𝑚𝑚
𝐹 =1.325
−𝐿𝑛 [0.0015𝑚𝑚
3,7∙20𝑚𝑚+
5.74
21072.90.9]2 = 25.6621𝑥10 − 3
Es necesario el valor de los coeficientes k de los aditamentos para calcular la fricción
por perdidas secundarias.
34
Tabla 2. 5 Tabla de coeficientes k de fricción de algunos aditamentos[12], [25]
Accesorio Valor de K
Válvula esférica, totalmente abierta 10
Válvula de ángulo, totalmente abierta 5
Válvula de retención de charneta 2,5
Válvula de pie colador 0,8
Válvula de compuerta, totalmente abierta 0,19
Codo de retroceso (codo en U) 2,2
Empalme en T normal 1,8
Codo de 90° normal 0,9
Codo de 90° de radio medio 0,75
Codo de 90° de radio grande 0,60
Codo de 45° 0,42
Entonces:
o 𝑘𝑣 = 0.19
o 𝑘𝑐 = 0.9
o 𝑘𝑡 = 1.8
ℎ𝑓1−3 = 𝐹 𝐿
𝐷
𝑣2
2𝑔+ ∑ 𝑘𝑐
𝑣32
2𝑔+ 𝑘𝑣
𝑣32
2𝑔+ 𝑘𝑡
𝑣32
2𝑔+ 10%(𝑘)
ℎ𝑓1−3 =(1.06103
𝑚
𝑠)
2
2𝑔((25.6621𝑥10 − 3)
𝐿𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 + 𝐿𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
0.02+ 3𝑘𝑐 + 3𝑘𝑣 + 3𝑘𝑡
+ 10%(𝑘))
ℎ𝑓1−3 =(1.06103
𝑚
𝑠)
2
2 (9.8𝑚
𝑠2)(25.6621𝑥 − 3
(40) + (3.34)𝑚
0.02+ 3(0.9) + 3(0.19) + 3(1.8)
+ 10%(3(0.9) + 3(0.19) + 3(1.8)))
ℎ𝑓1−3 = 3.7419𝑚
Con estos datos se calcula la potencia de la bomba en caballos de fuerza.
ℎ3 = ℎ𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 + ℎ𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 1.20𝑚 + 10𝑚 = 11.20𝑚
ℎ𝐵 = ℎ3 +𝑣3
2
2𝑔+ ℎ𝑓1−3
35
ℎ𝐵 = 11.20𝑚 +(1.06103
𝑚
𝑠)
2
2𝑔+ 3.7419𝑚
ℎ𝐵 = 14.9993𝑚
𝑃𝐵1(ℎ𝑝) =𝑄𝜌𝑔ℎ𝐵
746 𝑒=
333.333𝑥10−6 𝑚3
𝑠(998
𝑘𝑔
𝑠) (9.8
𝑚
𝑠2) (14.993𝑚)
746 (0.75)
𝑃𝐵1(ℎ𝑝) = 0.0873622𝑝 ≈ 65.1722𝑊
Bomba hidráulica M2
𝑄 = 30𝑙
𝑚𝑖𝑛= 500𝑥10−6
𝑚3
𝑠
𝑃𝐵2(ℎ𝑝) =𝑄𝜌𝑔ℎ𝐵
746 𝑒=
500𝑥10−6 𝑚3
𝑠(998
𝑘𝑔
𝑠) (9.8
𝑚
𝑠2) (11.20𝑚)
746 (0.75)
𝑃𝐵2(ℎ𝑝) = 0.0978914ℎ𝑝 ≈ 73.027𝑊
36
2.1.2.2 Selección de actuadores, elementos de control, potencia y
acondicionadores
Los elementos seleccionados se muestran en la siguiente tabla y están relacionados
con la disponibilidad y fácil accesibilidad en el mercado ecuatoriano.
Tabla 2. 6 Tabla de elementos necesarios para la construcción del prototipo
Articulo / Especificación Descripción Cantidad Precio
Unitario
Precio
Total
Electroválvula NO ½” 110V, Universal lavadora 2 $30.00 $60.00
Electroválvula NC ½” 110V, Universal lavadora 2 $30.00 $60.00
Bomba de agua ½” 75W Lavadora Whirpool 2 $30.00 $60.00
Sensor de temperatura Sumergible, Ds18b20 1 $17.00 $17.00
Sensor de flujo 1-30 L/min, 5-24vdc 1 $70.00 $70.00
Sensor de nivel Presostato de lavadora, 5V 2 $8.00 $16.00
Fuente de 5V Corriente 4A 1 $15.00 $15.00
Controlador Arduino nano 43x18x12mm (L, W, H) 1 $10.00 $10.00
Módulo relé 8 canales 5VDC, 110V-220VAC 1 $15.00 $15.00
Tubería de ½” PVC, para agua fría y
caliente 3m $8.00
$8.00
Contenedor 8L Plástico 1 $6.00 $6.00
T ½” PVC, para agua caliente 2 $0.50 $1.00
Codo ½” PVC, para agua caliente 4 $0.50 $2.00
TOTAL $340.00
Tabla 2. 7 Características de las Electroválvulas seleccionadas para el proyecto [24]
Electroválvula universal para lavadora 180°
Número de vías 1
Voltaje de trabajo 110V – 220V
Anclaje horizontal
Diámetro de salida 12mm
Acople de entrada Rosca ¾”
Temperatura de
trabajo
Temperatura del líquido
< 25°C función normal
90°C máximo 3-5min
Vida Útil 5bar, 70°C, >200.000 ciclos
5bar, 25°C, >500.000 ciclos
10bar, 90°C, >50.000 ciclos
37
Tabla 2. 8 Características de las bombas hidráulicas seleccionadas para el proyecto [30]
Bomba de desagüe para lavadora
Voltaje de trabajo 110V – 127V
Potencia 75 watts
Caudal máximo 45 L/min
Diámetro de salida 23mm
Diámetro de entrada 36mm
Medidas 13x10cm aprox.
Tabla 2. 9 Características del Sensor de temperatura seleccionado para el proyecto [31]
Sensor de temperatura DS18B20
Voltaje de trabajo 3.0V – 5.5V
Rango de medición -55°C hasta +125°C
Resolución 9 a 12 bits
Aplicaciones Control Termostático, sistemas
Industriales, productos de consumo,
termómetros o cualquier sistema de
sensado térmico.
Tabla 2. 10 Características del Sensor de flujo seleccionado para el proyecto [32]
Sensor de flujo de agua, POW110D3B
Voltaje de trabajo 5V-24V
Corriente máxima 15mA
Rango de medición 1 a 40 L/min aprox.
Temperatura
máxima de
funcionamiento
80°C
Temperatura
máxima de
funcionamiento del
líquido
120°C
Diámetro externo 20mm
Tabla 2. 11Características del Sensor de nivel seleccionado para el proyecto [33]
Sensor de nivel para lavadoras, Presostato j60-220
Voltaje de trabajo 5V
Corriente máxima 10mA
Máxima presión en
la manguera de
entrada de aire
7.6KPa
Resistencia de
aislamiento
> 50MΩ
Temperatura de
trabajo
-20°C a 70°C
Diámetro externo 20mm
Vida Útil 50000 ciclos
38
Tabla 2. 12 Características de la fuente de voltaje[20]
Fuente de Voltaje
Voltaje de entrada 110V-220V
Voltaje de salida 5 VDC
Corriente de salida 4A
Temperatura de
trabajo
-10°C a 50°C
Tamaño 85x60x33mm (L, W, H)
Tabla 2. 13 Características del microprocesador implementado en el proyecto [21]
Características técnicas Arduino Nano
Voltaje de operación 5v
Pines de entrada-salida digital 22, 6 pueden usarse como salidas PWM
Entradas analógicas 8 pines
DC corriente pin I/O 40mA
DC corriente pin 3.3v 50mA
Memoria flash 32 kB
SRAM 2 kB
EEPROM 1 kB
Frecuencia de reloj 16MHz
Tabla 2. 14 Características del Módulo relé 8 canales [22]
Modulo relé 8 canales
Voltaje de trabajo 5VDC
Señal de Control TTL (3.3V o 5V)
Contacto de relé de
salida
AC 250V – 10A
DC 30V – 10A
Corriente de
máxima
10A (NO), 5A (NC)
Tiempo de acción 10 ms / 5 ms
Modelo Relay SRD-05VDC-SL-C
Tamaño 135x55x20mm (L, W, H)
39
CAPÍTULO 3: IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS
DE RESULTADOS
Todos los elementos expuestos en el capítulo anterior han sido adquiridos en
el mercado ecuatoriano, con un precio al por menor y que nos da como resultado un
costo neto del sistema de $340.00. Se puede sumar a este valor un costo total por
horas invertidas en el desarrollo del proyecto de 480h a un costo por hora de trabajo
de $10.00 nos da como resultado $4800.00. Sin embargo, la elaboración de cada
prototipo toma alrededor de 8 horas, considerándose una elaboración manual y que
se cuenta con todos los elementos para el montaje.
En el capítulo 1 se analizó los dispositivos existentes en el mercado que
plantean soluciones al problema que este proyecto trata. El costo de estos
dispositivos se encuentra alrededor de los $400.00 con excepción de la ducha
automatizada U byMoen cuyo costo es $1400.00.
Si se tiene como consideración que dispositivos similares se pueden encontrar
en el mercado por $400.00, el valor del prototipo no puede superar por mucho este
precio. Considerando una ganancia de 30% por cada prototipo producido se obtiene
un valor comercial de $442.00, que puede considerarse un valor competitivo.
Entonces se pude realizar el siguiente análisis de viabilidad:
• Inversión en los materiales del prototipo:
$340.00
• Costo por horas invertidas en diseño y elaboración del prototipo
$4800.00
• Costo comercial por prototipo:
$442.00
• Costo por horas en el montaje de cada prototipo:
8h * $10.00 = $80.00
• Ganancia neta por cada prototipo
$442.00 – $340.00 – $80.00 = $22.00
40
• Numero de prototipos que deben comercializarse para recuperar la inversión
5140/22 = 234
Una vez adquirido todos los elementos se procede al montaje del prototipo
como se observa a continuación:
Figura 3.1 Montaje del Prototipo.
41
El primer análisis del funcionamiento que se puede realizar es el tiempo que
le toma al sistema drenar toda el agua de la tubería, además del volumen y el caudal.
Se evidencian en los gráficos dos pruebas por cada punto de agua caliente.
Figura 3.2 Tiempo que tarda el dispositivo en drenar agua de cada punto de agua caliente.
Figura 3.3 Cantidad y caudal de agua obtenido al drenar de cada punto de agua caliente.
En la primera gráfica se puede ver que el drenado de la tubería de agua
caliente tarda en promedio 120s, por otro lado, en la segunda gráfica se muestra que
la cantidad de agua drenada se encuentra alrededor de 4 litros, considerando un
caudal de 2 l/min. Teniendo como resultado que el dispositivo en cada operación
105
110
115
120
125
130
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7
Tiem
po
(s)
Puntos de Consumo de Agua Caliente
Pruebas de Drenado
Tiempo(s)
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7
Caudal (l/min) 2,09 2,23 2,07 2,10 2,14 1,90 1,90 2,03 2,10 2,11 1,97 1,88 1,95 1,93
Volumen (l) 4,00 4,20 4,20 4,40 4,20 3,80 4,00 4,20 4,40 4,40 4,20 4,00 4,00 3,80
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
Punto de Consumo de Agua Caliente
Pruebas de Drenado
Caudal (l/min) Volumen (l)
42
drena el agua de toda la tubería, sea cual sea el punto en el que se requiera el agua
caliente. Sin embargo, en relación con los patrones conocidos del domicilio, si
comparamos estos resultados se puede observar que no toda el agua es drenada, ya
que la cantidad de agua fría emitida antes del agua caliente varía dependiendo el
punto en el que se vaya a utilizar, la tabla a continuación muestra esta comparación.
Tabla 3. 1 Tabla comparativa, Cantidad de agua fría emitida y drenada de la tubería de agua
caliente
Número de
Grifo
Cantidad de agua
fría emitida antes
del agua caliente
[litros]
Cantidad de agua
drenada de la
tubería [litros]
1 1.5 4.2
2 6 4.4
3 3 4.2
4 3.5 4.2
5 5.3 4.4
6 5.5 4
7 2 4
El segundo análisis de funcionamiento del dispositivo se realiza en base a la
realimentación del agua drenada al sistema de tuberías de agua caliente. Se presenta
dos pruebas por cada punto de toma de agua caliente que se encuentra en el hogar.
En esta parte los resultados obtenidos del tiempo que el sistema tarda en
realimentar el agua hacia los puntos de agua son los siguientes:
Figura 3.4 Tiempo que tarda el dispositivo en realimentar el agua desde el contenedor hasta el
sistema de tuberías de agua caliente
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7
Tiem
po
(s)
Puntos de Consumo de Agua Caliente
Pruebas de Realimentación
Tiempo(s)
43
Figura 3.5 Cantidad de agua realimentada al sistema de tuberías y caudal con el que circula.
En esta parte del análisis se puede observar que el sistema tarda alrededor de
35 a 40s en realimentar toda el agua fría desde el contenedor hasta las tuberías de
agua caliente y que a pesar del cálculo que se realizó con anterioridad en el cual se
imponía un caudal de 20 l/min y se tomaba todas las consideraciones para el diseño,
el caudal resultante es de aproximadamente 7 l/min, el caudal suficiente para un buen
desempeño del sistema de agua caliente puesto que el caudal mínimo con el que
trabaja el calefón es de 4 l/min.
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7
Caudal (l/min) 6,86 7,00 7,00 7,14 7,00 6,71 6,86 7,00 6,95 6,77 6,81 7,06 6,86 6,71
Volumen (l) 4,00 4,20 4,20 4,40 4,20 3,80 4,00 4,20 4,40 4,40 4,20 4,00 4,00 3,80
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
Punto de Consumo de Agua Caliente
Pruebas de Realimentación
Caudal (l/min) Volumen (l)
44
El tiempo total de funcionamiento del prototipo en relación con el
comportamiento normal del sistema de agua caliente se evidencia en las gráficas a
continuación.
Figura 3.6 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 1 con y sin el dispositivo
realimentador
Figura 3.7 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 2 con y sin el dispositivo
realimentador
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
401 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
10
3
10
9
11
5
12
1
12
7
13
3
13
9
14
5
15
1
15
7
16
3
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 1Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 2Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
45
Figura 3.8 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 3 con y sin el dispositivo
realimentador
Figura 3.9 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 4 con y sin el dispositivo
realimentador
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 3Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 4Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
46
Figura 3.10 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 5 con y sin el dispositivo
realimentador
Figura 3.11 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 6 con y sin el dispositivo
realimentador
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 5Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 6Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
47
Figura 3.12 Funcionamiento del Sistema de agua caliente en el punto 7 con y sin el dispositivo
realimentador
Como se puede observar en los resultados expuestos el dispositivo tarda
alrededor de 150s en drenar y realimentar el agua, y según las curvas de caudal se
minimiza el desperdicio de agua fría al emitirla a una temperatura recomendada de
20°C como se había visto en el capítulo 2. El prototipo evita un desperdicio de 4
litros aproximadamente por cada vez que se requiera agua caliente en el domicilio.
El análisis de impacto ambiental del sistema puede realizarse con un simple
cálculo de ahorro de la siguiente manera:
Si se considera una ducha diaria por persona en una familia de cinco
miembros, el ahorro diario seria de más o menos:
• 4l * 5 miembros = 20 litros
El ahorro mensual entonces seria:
• 600 litros
600 litros mensuales por familia tomando consideraciones mínimas para este cálculo,
es decir se considera solo el desperdicio en una ducha de agua caliente, y si este
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
10
5
11
3
12
1
12
9
13
7
14
5
15
3
16
1
16
9
17
7
18
5
19
3
20
1
CA
UD
AL
(L/M
IN)
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (S)
Funcionamiento en Punto 7Temperatura sin Sistema Temperatura con Sistema
Caudal sin Sistema Caudal con Sistema
48
cálculo se proyecta a una escala mayor de ahorro mensual por ciudad representa un
ahorro muy significante de este preciado recurso.
Una estimación puede ser del número de habitantes y el desperdicio de agua
por persona de una ducha diaria.
La ciudad cuenta con: 331.888 habitantes, por lo tanto, se puede considerar
un ahorro de 4 litros diarios por persona, de lo cual se obtiene el siguiente resultado:
• 331.888 (4 litros) = 1.327.552 litros
Entonces quiere decir que se podría ahorrar 1.327.552 litros diariamente, y
por mes 39 millones 826 mil litros aproximadamente de agua potable en la ciudad.
49
CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
El presente proyecto técnico genera una nueva opción para el ahorro de agua
en el hogar e industria y la preservación del recurso hídrico. Las principales
conclusiones generadas en este estudio se describen a continuación:
• El análisis desarrollado evidencia un desperdicio claro del recurso hídrico en
tuberías de agua caliente, debido que no muchas personas son conscientes de
ello, o si bien son conscientes no realizan ninguna acción para contrarrestarlo.
En el análisis se muestra un desperdicio de 20 litros diarios aproximadamente
por las duchas que una familia de 5 miembros toma, dejando en claro que este
desperdicio puede ser mayor.
• La investigación de mercado resalta la problemática existente, ya que en el
capítulo 1 se presentan dispositivos creados para contrarrestar este problema
y que se encuentran a la venta en países de Norteamérica y Europa donde la
demanda del recurso es alta en comparación con la disponibilidad.
• En cuanto al costo del prototipo es competitivo y además cuenta con una
ventaja con respecto a los existentes, debido a que, si se utiliza los
dispositivos de la competencia es necesario uno por cada punto de consumo
de agua a diferencia del prototipo desarrollado en este proyecto que se
implementa directo al punto principal de distribución de agua caliente, es
decir se necesita uno solo para toda la edificación.
• En las gráficas de funcionamiento del sistema se observa que el prototipo
tarda un tiempo significativo para emitir el agua caliente en comparación con
el tiempo que demora habitualmente el sistema sin el dispositivo. La espera
de aproximadamente 3 minutos puede representar incomodidad para las
personas las cuales el tiempo es su prioridad. Sin embargo, puede mejorarse
experimentando con distintos elementos hasta lograr minimizar el tiempo y
validar el prototipo
50
• El caudal al que se realimenta el agua es menor al habitual, esto se debe a
distintos factores como la potencia de la bomba, variación en el diámetro
interno de los elementos del proyecto y la tubería del domicilio. Se considera
una ventaja debido a que por aproximadamente 40 segundos la persona puede
utilizar agua a una temperatura adecuada y un caudal menor, esto minoriza el
consumo de agua.
• En el ámbito medio ambiente el ahorro en el recurso hídrico es un gran aporte
sin embargo no representa un ahorro monetario considerable para el usuario,
esto se debe a la gran disponibilidad del recurso hídrico en nuestro medio
dando como resultado un bajo coste, por otro lado, el costo por metro cúbico
de agua para la industria es más alto.
• Como punto final, se puede tratar el tema de la huella hídrica considerada un
tema actual de gran importancia, ya que muchas personas buscan disminuirla.
Dotar a estas personas de una opción para hacerlo nos abre un mercado de
posibilidades para desarrollar dispositivos en los que intervenga la ingeniería
electrónica, mecánica y ambiental.
Las recomendaciones para el desarrollo de proyectos de esta índole, que engloba más
de una ciencia a tratar son las siguientes:
• Para un futuro desarrollo del proyecto al ser multidisciplinario es necesario
un equipo capacitado en las distintas disciplinas, que pueda colaborar en la
solución a la problemática, y validar los resultados obtenidos. Esto si se
plantea a futuro comercializar el proyecto.
• La escalabilidad del proyecto puede no resultar viable en el ámbito nacional
por el bajo coste del recurso hídrico, pero se puede considerar expandirse a
un mercado internacional en el cual si existe rentabilidad para los usuarios.
• Para la construcción del prototipo es necesario contar con ciertas capacidades
y conocimientos de hidráulica y gasfitería por lo cual es adecuado acudir con
un técnico para evitar contratiempos.
51
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[33] Hitachi Ltd., “HD14069UB,” Tokio, Japan, 1999.
54
APÉNDICES
APÉNDICE A: DIAGRAMA DE FLUJO DEL ALGORITMO
IMPLEMENTADO
Tabla C. 1 Notaciones Aplicadas al Diagrama de Flujo del Algoritmo Implementado.
Name Meaning
Variables
And
Parameters
𝐹𝑆 Sensor de flujo
𝐿𝑆 Sensor de nivel
𝑇𝑆 Sensor de temperatura
𝑉1 Electroválvula 1
𝑉2 Electroválvula 2
𝑉3 Electroválvula 3
𝑉4 Electroválvula 4
𝑀1 Bomba de agua 1
𝑀2 Bomba de agua 2
55
Diagrama de flujo: Funcionamiento del sistema
¿Está el agua
caliente?
¿Hay flujo
en la
tubería?
¿Está vacío el
contenedor?
TS=1
TS=0
FS=1
FS=0
LS=1
LS=0
Inicio
Enviar agua a la tubería
V1 = 0, V2 = 0, V3 = 0,
V4=0, M1 = 0, M2 = 0
Habilita la entrada de agua
V1 = 0, V2 = 0, V3 = 0,
V4=0, M1 = 0, M2 = 0
Drenar agua
V1 = 1, V2 = 0, V3 = 1,
V4= 0, M1 = 0, M2 = 1
Realimentar agua del
contenedor en lazo cerrado
V1 = 1, V2 = 1, V3 = 1,
V4= 1, M1 = 1, M2 = 1
¿Está el
agua
caliente?
Realimentar agua del
contenedor a la tubería
V1 = 1, V2 = 1, V3 = 0,
V4= 1, M1 = 1, M2 = 0
TS=0
TS=1
