Diseño de un Sistma Hidroneumático

Introducción

La red de abastecimiento de agua potable es un sistema de obras de ingeniería, concatenadas que permiten llevar hasta la vivienda de los habitantes de una ciudad, pueblo o área rural relativamente densa, el agua potable.

Origen del agua

Los sistemas de abastecimiento de agua potable se pueden clasificar por la fuente del agua, de le que se obtienen:

Agua de lluvia almacenada en aljibes
Agua proveniente de manantiales naturales, donde el agua subterránea aflora a la superficie;
Agua subterránea, captada a través de pozos o galerías filtrantes;
Agua superficial, proveniente de ríos, arroyos, embalses o lagos naturales;
Agua de mar.

Según el origen del agua, para transformarla en agua potable deberá ser sometida a tratamientos, que van desde la simple desinfección, hasta la desalinización.

Componentes del sistema de abastecimiento

El sistema de abastecimiento de agua potable más complejo, que es el que utiliza aguas superficiales, consta de cinco partes principales:
Almacenamiento de agua bruta
Captación
Tratamiento
Almacenamiento de agua tratada;
Red de distribución.

La información que se va ha suministrar es la creacion de un proyecto de un sistema de hidroneumático en particular , que no es más la distribución de agua para edificios o instalaciones. Diseñar la capacidad de un sistema hidroneumático para una edificio de 4 plantas, de 8 apartamentos por plantas tomando en cuenta que en cada apartamento viven 5 personas y que la dotación para cada persona es de 400 lts/ personas. Calculando un Qtotal de todas las personas que habitan.

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, 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 acueducto 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), y 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 (Pmáx.), 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 (Pmín.) se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente. Como se observa la presión varía entre y Pmáx y Pmín, 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 (Pmín) conforme al requerimiento de presión de instalación y un Pmáx, que sea tolerable por la instalación y proporcione una buen calidad de servicio. Verifiquemos las siguientes figura:

Usualmente los encargados de los proyectos consideran un diferencial de presión de 10 mca, lo que puede resultar exagerado, ya que en el peor de los casos la presión varía permanentemente entre 5 y 15 mca. Este hecho es el que los usuarios notan, ya que estas variaciones en la presión se traducen en fluctuaciones del caudal de agua. Además, el sistema de calentamiento de agua variará su temperatura en función del caudal. En efecto, el caudal de 15 mca es un 35% superior al que se tiene, si la presión es de 5 mca. Una instalación con sistema hidroneumático, calculado según lo anterior, consumirá un 18 % más de agua por el hecho de tener que aumentar la presión sobre el mínimo, este aumento conlleva a una pérdida de energía importante.
Mientras mayor sea el diferencial de presión y menor el tiempo entre partidas de los motores, más pequeña resulta la capacidad del estanque de presión.
Las bombas estarán funcionando entre dos puntos de operación de presión y por consiguiente de caudal, por lo que al no ser un punto único, no podrá estar permanentemente en su punto óptimo de eficiencia.
El reglamento de Instalaciones Sanitarias obliga a que la capacidad de las bombas sea un 125% del gasto máximo probable a la presión mínima requerida para el sistema, a fin de asegurar abastecer la demanda máxima al mismo tiempo que se llena el estanque de presión.

Las Bombas

Cuando se selecciona el tipo o tamaño de bomba, se debe tener en cuenta que la bomba por si sola debe ser capaz de abastecer la demanda máxima dentro de los rangos de presiones y caudales, existiendo siempre una bomba adicional para alternancia con la (o las) otra (u otras) y cubrir entre todas, por lo menos el 140% de la demanda máxima probable. Además debe trabajar por lo menos contra una carga igual a la presión máxima del tanque.
Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la frecuencia del número de arranques del motor en la bomba, llamados Ciclos de Bombeo. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraerá el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes, lo que causaría una desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia.

El punto en que ocurre el número máximo de arranques, es cuando el caudal de demanda de la red alcanza el 50% de la capacidad de la bomba. En este punto el tiempo que funcionan las bombas iguala al tiempo en que están detenidas. Si la demanda es mayor del 50%, el tiempo de funcionamiento será mas largo; cuando la bomba se detenga, la demanda aumentada extraerá el agua útil del tanque más rápidamente.

La potencia de la bomba puede calcularse, de la siguiente manera:

HP = Q ( l/s) H (m) /75 * n %/100

Donde: HP: Potencia de la bomba en caballos de fuerza
Q: Capacidad de la bomba
n: Eficiencia de la bomba, Para efectos de cálculos teóricos se supone de un 60%.

Los equipos hidroneumáticos sirven para mantener la presión constante en las tuberías de aguas blancas, dentro de una casa, oficina y planta purificadora de agua. Estos aparatos permiten que el agua salga a la presión y flujo adecuado, sin importar lo retirado que estén los diferentes puntos de agua de la entrada principal del inmueble. Verifique la siguiente figura:

La Dotación

El problema de la estimación de la dotación es en fin de cuentas, el de la revisión del consumo futuro, para mejor comprensión de las estimaciones se expondrán previamente los tipos de consumo existentes en una comunidad urbana y los principales factores que lo afectan.
En una comunidad el consumo de agua de urbana puede clasificarse en los siguientes conceptos:

• Residencial o doméstico: Dependiendo de la ciudad, puede ser el consumo mayoritario, contiendo el suministro para usos higiénicos, culinarios, limpieza, el riego de jardines y prados (que en algunos lugares puede tener una singular importancia), etc., en casas particulares,. Para este uso deben tenerse en cuenta: el tamaño de la población, las condiciones socioeconómicas, el clima, la cobertura de medidores y las características del alcantarillado existente.ç

• Comercial e industrial: Incluye el suministro a instalaciones comerciales, industriales y de oficinas, y en él deberán estudiarse los consumos puntuales o concentrados de demandas, así como realizar un estimativo de los consumos futuros. Su importancia dependerá de las condiciones locales, tales como la existencia de grandes industrias o el porcentaje de industriales que se abastecen autónomamente por conducciones y recursos propios.

• Usos institucionales: Que incluyen los consumos de las instalaciones como hoteles y edificios públicos como: hospitales, cárceles, etc. así como para las escuelas que deberán analizarse según las características de concentración de población estudiantil durante el día.

• Usos públicos: Es el empleado por los servicios de aseo y limpieza de las calles, en el riego de jardines y parques públicos, fuentes, etc. Se considerará entre el 0 y el 3 % del consumo medio diario doméstico.

• Uso rural: En caso de que tenga que abastecerse a la población rural, mediante una ampliación del acueducto o directamente con un acueducto veredal, deberán considerarse el censo rural y su futuro y de acuerdo a las características de dicha población estimar el consumo.

• Pérdidas y derroches: Es el agua que se pierde en la aducción, en usos subsidiarios en el tratamiento, evaporación, debido al mal conteo en contadores y bombas, conexiones no autorizadas, fugas en depósitos y conducciones debido al estado de la red de distribución., etc. Por estos conceptos se puede llegar a "mal utilizar" de un 20 a un 40 % de la dotación bruta, dependiendo general.

Los factores que afectan al consumo “per capita” de una comunidad tienen un gran interés, ya que su evaluación aproximada permitirá prever, hasta cierto punto, los valores de este. Los más importantes son los siguientes:

1. Nivel de vida que incidirá en el uso de aparatos electrodomésticos y en una higiene y limpieza más refinadas; el consumo será mayor a mayor nivel de vida.

2. Tamaño de la población que probablemente este relacionado con el anterior añadiendo una mejor calidad en el servicio tanto de abastecimiento como de saneamiento; el consumo será mayor a mayor tamaño de población.

3. La calidad del sistema de saneamiento que al aumentar, aumentará el consumo.

4. La importancia de las zonas industriales y comerciales de la ciudad.

5. La urbanización de la ciudad en cuanto a existencia de parques mayores o menores, si la urbanización es predominantemente horizontal con jardines particulares o vertical con grandes bloques de apartamentos.

6. Condiciones climáticas puesto que el consumo será tanto mayor cuanto más cálido sea el clima, debido a los “aires acondicionados”, mayor necesidad de riegos, etc.

7. El precio del agua ya que el consumo será menor cuanto mayor sea el precio del agua.

8. La calidad del agua del abastecimiento que a mejor, hará aumentar el consumo.

9. El estado de la red de distribución que afectará a las pérdidas y derroches.

10. El control en los edificios públicos.

El modelo expuesto: (CONSUMO = POBLACIÓN * DOTACIÓN) da un valor que debe considerarse como un consumo medio a lo largo del año. Sin embargo, en la práctica este consumo no se produce de forma regular, sino que en determinados momentos conocidos como puntas, el consumo de la población será mayor y en otros, notablemente inferior al medio, puesto que las condiciones climáticas, los días y horarios de trabajo etc., tienden a causar amplias variaciones en el consumo de agua.

La dotación bruta se establece con la dotación neta mínima afectada por las variaciones climáticas y las perdidas así:

dmax = d neta /1- % perdidas

El consumo medio diario Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada con sus ajustes y la dotación bruta, expresado en l/s:

Qm= (K x D) / 86400

Donde:

K= Poblacion dehabitantes

D= Dotacion lts/habi/dia

Aplicaremos la ecuacion para nuestro problema, tenomos el edificio de 4 plantas, con 8 apartamentos por piso y en cada apartamento viven 5 personas. Calculamos K

K= 8 apto x 5 personas= 40 x 4 plantas o pisos= 160

Luego:

Qm= ( 160 x 400 lts) / 86400

Qm=0.74 lts/ seg

El caudal máximo diario, Qm , se define como el consumo máximo registrado durante 24 horas en un periodo de un año y el caudal máximo , Qmax , se define como el consumo máximo registrado durante una hora en un periodo de un año, sin tener en cuenta el caudal de incendio se calculan así:

Qmax= 5- (K x Qm) /2000

Qmax= 0.0567 lts/ seg

Afortunadamente, el proyecto de un abastecimiento de agua potable es, en general, poco sensible a pequeños errores de evaluación. Lo que permite (salvo casos particulares y concretos especialmente delicados) recurrir a hipótesis simplificadoras, que conducen a modelos sencillos como el siguiente: la cantidad de agua a consumir por la comunidad es igual a la población (neta de habitantes) por un cierto consumo unitario denominado “dotación” que habitualmente se expresa en l/hab/día.

Finalmente selecionamos nuestro instrumento hidroneumático, que se va adaptar para una edificacion la cuáles no exceda de 5 pisos de altura, que existan períodos largos sin necesidad de agua y no cuenten con calderas de agua centrales, ya que en dichos equipos hay variaciones de presión que afectan las mezcladoras de agua fría / caliente. El tipo precargado (con membrana) tiene numerosas ventajas sobre los tanques tradicionales. No requieren mantenimiento, porque el agua y el aire no están en contacto. Se encuentran separados por una membrana. No necesitan un compresor o supercargador. Son higiénicos y resistentes (no tienen problemas de corrosión u oxidación).