Embed Size (px)
DESCRIPTION
Red de distribución.
Citation preview
Unidad 2.
Redes de Distribución de Agua Potable.
Contenido:
Definiciones y Criterios de Diseño.
Tablas de Cálculo, Pérdidas y Curvas de Simultaneidad.
Equipos de bombeo.
Tanques Hidroneumáticos.
Agua Caliente.
Definiciones y Criterios de Diseño:
La Red es el conjunto de tuberías que lleva el agua hasta cada aparato sanitario. Puede iniciar
directamente desde la acometida o bien desde un equipo de bombeo, inclusive puede alimentarse de
ambos y funcionar de acuerdo al servicio, cuando haya o no agua del exterior o cuando tenga o no
presiones suficientes como para satisfacer la demanda. Está compuesta por derivaciones principales,
que son las tuberías iniciales desde el exterior, las columnas, que llevan el agua hacia los pisos
superiores y las derivaciones secundarias que partiendo de las columnas, llevan el agua hacia los
aparatos en cada piso.
Aunque siempre es posible hallar una solución hidráulica a cualquier ruta de distribución, se siguen
algunas normas, para una mejor operación y mantenimiento de las instalaciones.
Las tuberías iniciales, partiendo de la acometida o de la cisterna, a través del equipo de bombeo, se
suelen colocar en el exterior de la edificación, por los linderos o callejones, bordeando o rodeando el
edificio, de tal manera que llegue a cada conjunto de aparatos desde el exterior y pueda dar inicio a las
columnas que alimentarán los pisos superiores, lo que se optimiza cuando hay similitud de distribución
en los pisos superiores.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Las columnas se ubicarán en muros exteriores, pudiendo estar vistas, interior o exteriormente, en
algunos tipos de edificaciones, como fábricas o laboratorios o embebidas en los muros, para que no se
vean, por estética o por seguridad, como en viviendas o escuelas. La distribución vertical se podrá hacer
por los ductos que a tales efectos se suelen hacer en las edificaciones altas, estos reciben el nombre de
patinillos y son espacios de servicio, que interconectan todos los pisos verticalmente y en el que se
alojan varios servicios, como los sanitarios de agua potable y de aguas residuales, protección contra
incendios, eléctricos, de data, cable o internet, de gases en hospitales y fábricas y hasta de disposición
de residuos sólidos. Luego las derivaciones secundarias se dirigirán de la forma más directa a los
aparatos, evitando el paso a través de áreas importantes, como salas, comedor o habitaciones en
viviendas, oficinas principales de una empresa o salas de cirugías en un hospital. Son áreas que en
ocasión de mantenimiento o de accidentes, no deben verse afectadas, pues inhabilitan toda una unidad
habitacional o empresa.
La red se divide en tramos limitados por nudos. Un nudo es el inicio, un extremo, un punto de
derivación o un punto de cambio en las condiciones hidráulicas del conducto, como un cambio de
material o de diámetro. El espacio del conducto comprendido entre dos nudos es el tramo. Los nudos se
nombran con números o letras. Los tramos se nombran mediante los nudos que lo limitan, poniendo
primero el nudo anterior y luego el posterior, en la dirección del flujo. En el tramo 8-12 el agua va desde
el nudo 8 hacia el nudo 12.
Las redes de distribución siguen pues algunos criterios para su diseño.
Los diámetros disminuirán en la dirección de flujo. El diámetro mínimo será de ½ Pulg. El caudal de
diseño de un tramo dependerá del número de aparatos que alimenten, el caudal de diseño de cada uno
de esos aparatos y un coeficiente de simultaneidad de uso, pues no se supone que todos los aparatos se
utilicen al mismo tiempo como criterio de diseño más desfavorable, sino que se hace una probabilidad
de ocurrencia o de uso simultáneo, basado en estadísticas y experiencias, exceptuando aquellas
instalaciones que por su objetivo, requieran que todos los aparatos se usen a un mismo tiempo, como
las diez duchas existentes en una base militar a las 5:30 de la mañana o los 8 lavamanos durante el
recreo en una escuela. El Q total, será el Número de aparatos por el caudal de cada uno, según su tipo.
El Q de diseño será el Q total por un coeficiente de simultaneidad de uso. Ese coeficiente se establece
como un porcentaje que se determina a través de gráficos o fórmulas.
Se establece el criterio del aparato más desfavorable, que es el combine mayor altura, con mayor
distancia y mayor presión requerida por el aparato. Este criterio se asocia al de la ruta más desfavorable
y es aquella que sigue el agua desde su partida en el inicio, equipo de bombeo o acometida, hasta el
aparato más desfavorable. Este criterio asume que si se satisface la presión y el caudal requerido por
ese aparato, todos los demás tendrán agua suficiente y con una presión igual o mayor a la requerida por
el mismo.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Siempre que seleccionemos adecuadamente el aparato más crítico, los resultados serán satisfactorios.
La concepción es que a ese aparato es al primero que se le iría el agua en una falla del sistema y es
lógico que al aparato más alto y alejado, sea al primero que le pueda faltar el agua.
La presión de trabajo que se asume en los diseños es:
Bañeras: 10 MCA (Metros de Columna de Agua equivalente: 10 MCA es similar a 1 Kg./Cm2)
Inodoros de depósito, Lavamanos, Bidés, Fregaderos o Lavaderos: 6 MCA.
Inodoros de Fluxómetro: 15 MCA.
Como los caudales se establecen a partir de la simultaneidad de uso, la suma de los caudales de diseño
de entrada a un nudo, no será igual a la de los caudales de diseño de salida del mismo, a menos que se
use un 100% de simultaneidad en todos los aparatos.
Las pérdidas se calculan para la ruta más desfavorable, también denominada ruta crítica, por algunos
autores, y sólo se sumarán las de ese tramo para fines de determinación de las características del equipo
de bombeo o para fines de determinación de la presión requerida en el punto de empalme que deberá
aportar la red existente.
La expresión más utilizada en redes interiores, para determinar las pérdidas por fricción longitudinales,
es la fórmula de Flammant:
Pérdida unitaria J = 4 m ( 4/¶ )7/4 . Q7/4 / D19/4
En esta expresión m es la rugosidad. El valor más utilizado es 0.0023, para la mayoría de los materiales.
Q es el caudal expresado en Mts.3/Seg.
D es el diámetro expresado en Mts.
Otras fórmulas usadas son las de Chezy Manning, Darcy Weisbach y la ya descrita de Hazen Williams.
Describiremos una metodología de diseño, basada en tablas que se preparan a efectos de determinar
los diámetros de cada tramo de la red. Diferenciaremos dos formas de determinación de la
simultaneidad de uso.
Dos autores clásicos el español Mariano Rodriguez Avial y el arquitecto Italiano Ángelo Galizio, describen
unas curvas de simultaneidad que basan en expresiones estadísticas, que nos limitaremos a referir y
usar.
El método clasifica los aparatos por su caudal de diseño, los de q = 0.10 tales como Inodoros,
Lavamanos, Fregaderos, Urinales y Bidés y los de q = 0.20 en particular las duchas y bañeras.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución.
La tabla de cálculos es la siguiente:
Iniciamos con la indicación del tramo. Colocamos el número de aparatos, determinamos el Q total
multiplicando el caudal unitario de cada aparato por su número. Con ese número ingresamos a la curva
de simultaneidad correspondiente y en ella extraemos el porcentaje de simultaneidad de uso. El
producto nos dice el caudal de simultaneidad. El caudal total del tramo es la suma de los caudales de
simultaneidad de uso.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Curva de simultaneidad:
La curva nos da el porcentaje de simultaneidad de uso, ingresamos el número de aparatos en el eje X y
tocamos una de las curvas, para establecer el %. Usaremos la curva superior i = 20 minutos para
edificaciones en las que haya pocas instalaciones (las mínimas) para muchos usuarios, como un edificio
de apartamentos en Invivienda en donde hay un baño por cada apartamento de tres habitaciones y la
inferior i = 40 minutos, cuando haya suficientes aparatos para los usuarios, como una residencia en
Arroyo Hondo o los Cerros de Gurabo, en donde hay baños en todas la habitaciones. El valor i es el
tiempo entre uso de aparatos, t es el tiempo de uso del aparato. En un edificio en la condición más
desfavorable para i = 20 minutos, donde se abastezcan 30 aparatos con q de 0.10, el porcentaje de
simultaneidad de uso será de 30%, asimismo, para 4 aparatos, el porcentaje será de 63%. En un recurso
adicional, se muestran otras curvas de sumultaneidad, como el caso de las que se usan para bañeras y
que vamos a necesitar para el ejemplo a continuación.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Un tramo 2-1 que abastezca 2 lavamanos, 2 inodoros y 2 bañeras, se diseñará para un caudal q como se
determina a continuación:
La segunda parte es la selección de los diámetros y la determinación de las pérdidas. Para ello
deberemos determinar la longitud de cada tramo, midiéndola en planos o asignando algunas
magnitudes, como la altura de entrepisos, que suele tomarse como de 3.00 Mts.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Se suele establecer una velocidad promedio para fines de optimizar y facilitar el diseño, lo que nos
permite agilizar el cálculo. Al principio, cuando los aparatos sean muy pocos, uno o dos, una tubería de
½” nos resulta en una velocidad pequeña, pero al aumentar, nos acercaremos a la velocidad
seleccionada, la que podremos acercarnos por exceso o defecto, lo más posible, usando la tabla de
cálculos o la expresión, mediante fórmula en una hoja electrónica o “a mano”.
La tabla de pérdidas se presenta como un recurso adicional en el Aula Virtual.
Se busca el caudal en la columna de la izquierda y el diámetro en la fila superior lo que nos lleva a una
celda con dos valores, el inferior representa la velocidad y el superior la pérdida unitaria. Cálculos
hechos tomando las medidas en mms.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución.
O bien, la siguiente en la que sólo aparecen las pérdidas unitarias. Ambas tablas aparecen como
recursos en el Aula Virtual. Cálculos hechos tomando las medidas en Pulgs.
Para diámetros pequeños, existe una gran diferencia entre la equivalencia en pulgadas o en mms, puede
notarse en la tabla que ½” equivale en ella a 18 mms que es el diámetro más cercano de las tuberías
según la unidad de medida que se use, por el país de procedencia, muy diferente a los 12.7 mms que
realmente representa ½”.
Tomemos en cuenta que hay diámetros que no se usan en PVC, el material aún más utilizado, como 3/8”
o 1 ¼”, que sin embargo si existen en H.G. o Polietileno. Este último, así como el polipropileno, son los
materiales emergentes, previéndose que un futuro cercano ya superen en uso al Cloruro de Polivinilo
(PVC).
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. La tabla se llena para todos los tramos en la ruta más desfavorable primero, sumándose la columna de
pérdidas, no así la de caudales, pues el caudal del último tramo de la tabla, primero de la red, deberá
contener todos los aparatos de la edificación y por tanto el caudal de simultaneidad de toda ella.
Equipos de bombeo.
El modelo de equipo de bombeo en un edificio, suele ser el horizontal, de succión y descarga. Sus dos
elementos característicos, el motor y el cuerpo de impulsores estarán, ambos, fuera del agua. El caudal
de la bomba será el de simultaneidad del tramo inicial (último de la tabla).
El TDH será la suma de varios componentes:
DIFERENCIA GEOMETRICA: Asociada a la altura de la edificación y se asume como tal.
SUCCION EN CISTERNA: Es la profundidad de la cisterna.
PERDIDAS CONTINUAS: Es la suma de la columna de pérdidas de la tabla de cálculos
PERDIDAS AISLADAS + Interiores: Se determina mediante varias metodologías a explicarse más adelante.
RANGO DE PRESIONES: Es la diferencia entre la presión máxima de apagado y la mínima de encendido.
PRESION TRABAJO APARATO + DESF: Sera 8, 10 o 15 según sea el caso.
FACTOR DE SEGURIDAD, F.S.: Se asumen algunos metros adicionales para cualquier error de cálculos. Se
aprovecha para redondear el resultado.
Las pérdidas aisladas o locales, se determinan mediante la expresión Σ Ki . Vi2/2g
Una manera de hacerlo es determinar el valor de Velocidad en cada pieza a todo lo largo de la ruta más
desfavorable, encontrar el coeficiente de pérdida de cada una y usando la expresión, determinar la
pérdida local de cada pieza. Otra es la de asumir V como la Velocidad promedio, en cuyo caso, sólo será
necesario determinar la suma de los valores de K y se simplifica bastante la expresión. Una tercera
manera es asumir las pérdidas locales como un porcentaje de las longitudinales. Asumiremos un 10 %
para velocidad promedio de 1.00 Mt./Seg., un 20%, cuando la velocidad sea 2.00 Mts./Seg. Y finalmente
de un 30%, cuando la velocidad sea de 3.00 Mts./Seg.
El ministerio de Obras Públicas admite cualquier metodología.
El rango de presiones se suele establecer en 20 Lbs./Pulg2, que en términos de la expresión de la
energía, se iguala a 14 MCA, esto puede ser seleccionado de manera diferente por el diseñador, sin
embargo uno mayor, conlleva a una bomba de mayor TDH, mayor potencia y mayores consumos
energéticos. (El rango de presiones es la diferencia entre la presión máxima y la mínima. Se suele
seleccionar entre 20 y 30 Lbs./Pulg2 o sea unos 14 o 20 MCA o 1.4 o 2 Atm.)
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución.
La potencia necesaria puede estimarse mediante la expresión:
P = Q x TDH / 75 e
En la que el Q debe estar el Lts./Seg.
El TDH en Mts.
La eficiencia puede estimarse en un 70%, hasta que el fabricante o su representante, mediante la curva
característica, nos ofrezca el dato preciso.
Es importante ofrecer como dato la disponibilidad de energía (monofásica o trifásica, el voltaje
existente, el banco de transformadores existente)
Tanque Hidroneumático.
El o los tanques presurizados que se usan para regular las presiones se seleccionarán a partir de la
expresión:
V = 30(Q/Nc)(Pa + 1)/(Pa -Pb)
En la que:
V es el volumen en Lts.
Q es el caudal expresado en Lts./Min.
Nc es el número de ciclos, que puede establecerse entre valores tan bajos como 10 y tan altos como 30.
Esto representa el número de veces que la bomba encenderá durante una hora.
Pa es la presión máxima de apagado. Se expresa en Atmósferas. Una atmósfera se toma como 10 MCA.
Pb es la presión mínima de encendido. Se expresa en Atmósferas.
El denominador Pa – Pa es la diferencia entre las presiones máxima y mínima, que es precisamente el
rango de presiones que seleccionemos, usualmente tomamos 14 MCA y en la expresión 1.40 Atm.
Observamos que todos los parámetros se relacionan, si seleccionamos un rango y un Nc grandes, el
volumen será pequeño, pero la bomba será de mayor potencia y en horas pico, encenderá de modo más
continuo.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. El resultado de usar estas expresiones desarrolladas por Galizio y Rodríguez Avial, nos lleva a tanques
hidroneumáticos grandes. Ellos recomiendan asignar un valor de Q menor al de la tabla de cálculos,
pues ese caudal se prevé que sólo ocurra algunos minutos Q´ = Q/2 inclusive hasta Q/3. De todos
modos el resultado será que un tanque muy grande preservará mejor la bomba pues uno muy pequeño,
la obligará a trabajar con un número de encendidos o ciclos más continuos.
Dependiendo de la importancia de la edificación, se puede usar una bomba, dos, con cada una
aportando la mitad del caudal para el mismo TDH o en el óptimo de los casos, tres bombas iguales, con
dos trabajando y una en reserva.
Como recursos adicionales se ofrecen en el Aula Virtual, otras metodologías de selección de tanques
hidroneumáticos y enlaces con fábricas de equipos de bombeo.
Agua Caliente.
El Agua Caliente en un clima como el nuestro, casi todo el tiempo caluroso, normalmente se aprecia
como un lujo, sin embargo en los días fríos de Diciembre y Enero, antes de ir a nuestras labores
cotidianas, cuesta trabajo asearse adecuadamente, si no se cuenta con el servicio de agua tibia. En las
zonas de servicio del hogar, como son las cocinas o áreas de lavado, el agua caliente nos permite hacer
más eficiente el lavado de losas sucias, pues las grasas de desprenden más fácilmente con agua caliente.
Muchos equipos de cocina y Lavadoras de ropa, usan agua caliente y son mucho más eficientes. En un
hotel, es imprescindible ofrecer agua caliente en la ducha a los clientes, todo el año.
La distribución de Agua Caliente tendrá su fuente en la red de Agua Fría. Se considerará que el consumo
de Agua no se aumentará por el hecho de que un aparato esté alimentado con agua fría y caliente, sino
que el aparato o grupo de aparatos recibirá un porcentaje de Agua Caliente y otro de Agua Fría, pero su
suma será sólo su demanda base. Si alimentamos un lavamanos y una bañera con agua fría y caliente,
el caudal total será de 0.30 Lt./Seg. Es posible que en un momento dado tengamos que el caudal de
Agua Fría sea de 0.18, entonces el de Agua Caliente, sólo será de 0.12 Lts./Seg. Puede ser asimismo que
todo el caudal sea desde el Agua Fría o todo desde el Agua Caliente, pero en ningún caso, la suma de
ambos sobrepasará los 0.30 para fines de Caudal de Diseño.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Supongamos la alimentación de tres lavamanos:
C D
A B CE E F G
El caudal total de las tres unidades sería de 0.30 Lts./Seg. El porcentaje de Simultaneidad, tomado del
gráfico, de ese documento sería de un 75%, por lo que el Caudal de diseño es:
Q = 0.30 x 0.75 = 0.22 Lts./Seg.
Los tramos D-G y F-G se diseñarán con un caudal de 0.10 Lts./Seg. (100% de Simultaneidad)
Los tramos C-D y E-F se diseñarán con un caudal de 0.20 Lts./Seg. (100% de Simultaneidad)
El tramo B-C se diseñará con un caudal de 0.22 Lts./Seg. Al igual que el tramo B-CE y CE-E. Es posible que
se alimenten con sólo Agua Fría o bien con sólo Agua Caliente.
Finalmente el tramo A-B, se diseñará para 0.22 Lts./Seg. No importa las combinaciones de porcentajes
que se presenten, de agua Fría o Caliente, no podrá sobrepasarse el caudal de diseño total demandado
por los aparatos.
La pregunta que nos hacemos es, de qué tamaño seleccionamos el calentador. De qué tipo, si Solar,
Eléctrico o de Gas. No importa el tipo, lo que necesitamos es saber cuánta energía debemos aplicar al
agua mezclada para poder conseguir una temperatura agradable en ella.
Los calentadores son grandes consumidores de energía. Generalmente nos aumentan los costos de
electricidad en forma considerable.
La Unidad de medida que se usa es la caloría. Por definición una Caloría es la energía necesaria para
incrementar un Grado Centígrado un Centímetro Cúbico de Agua. (En particular de 15 a 16 °C.)
Esto resulta en una unidad muy pequeña. Por eso la unidad más usada es la Kcal, que son 1000 Calorías.
Un K watt es equivalente a 860 Kcal.
La temperatura a la que se suele subir el agua para que sea caliente es de unos 55 – 60 °C. A mayor
temperatura, el agua puede causar daños al usuario del servicio.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Podemos usar las siguiente tablas de Conversión de Unidades.
INSTALACIONES SANITARIAS. Unidad 2 Redes de Distribución. Si quisiéramos determinar la energía necesaria para poder satisfacer un grupo de aparatos desde un
calentador, podríamos hacer el siguiente ejercicio:
Queremos satisfacer la demanda de dos cuartos de baños, que tienen una bañera cuya demanda es de
120 Lts. En dos horas. (Supongamos que se llene la tina, que aunque esto ya no es usual, es posible).
Sumemos la demanda de una Ducha cuya demanda sea de 40 Lts y dos Lavamanos cuya demanda sea
de 12 Lts. C./U. en ese tiempo.
El volumen total sería de 120 + 40 + 2 x 12 = 184 Lts. No sumamos otros aparatos por no requerir el
servicio de Agua Caliente.
Supongamos que el 40% de ese volumen sea de agua caliente.
El volumen a ser calentado sería de unos 74 Lts.
Supongamos un día “frío” en Santo Domingo con temperatura de 16°C al amanecer y queremos llevar el
agua a 55°C.
La energía necesaria para calentar esa agua sería:
E = t x Vol (Cms³) = (55 – 16) x 73,600 = 2,870,400 Cals.= 2,870 Kcal = 3.338 Kwatts.
Si asumimos un 85% de eficiencia en la transferencia de energía de un calentador eléctrico, para lograr
el efecto en dos horas, tendremos que utilizar una resistencia de:
P = 3.34 / (2 x 0.85) = 1.96 Kw o lo que es lo mismo 2 Kw.
El volumen que tendremos que tener almacenado sería de 74 Lts. En dos horas, lo que significa 37 Lts o
unos 10 Galones, que es el volumen que necesitamos mantener en el tanque de almacenamiento del
calentador. En viviendas a veces es mejor tener un tanque más grande con una potencia más pequeña,
por ejemplo una resistencia de 1 Kw y un tanque de 20 Galones, lo único es que para poder usar el agua
deberemos haber encendido el calentador unas horas antes de usar el agua caliente o bien mantenerlo
encendido todo el tiempo, que es como muchos usuarios lo hace, pues aunque se consume un poco más
de energía, la potencia instantánea necesaria es menor. Este consumo no es mucho mayor, es más la
diferencia es bien pequeña, pues cuando la temperatura en el interior del calentador, llega a los 55 °C si
está ajustado así, el calentador se apaga, pues posee un reóstato para tales fines.
