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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIIERÍA CIVIL
CURSO INSTALACIONES SANITARIAS Y ELÉCTRICAS TRABAJO ENCARGADO TEMA: TANQUE HIDRONEUMÁTICO
Profesor: Ing° Aurelio Aurelio Mendoza Alumno: Mario A. Montero Torres
Fecha: Noviembre 2014
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INTRODUCCION 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.),
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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL
Comprender los aspectos teóricos básicos sobre suministro con tanque hidroneumático y el servicio de agua caliente.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer la teoría básica sobre el suministro de agua con tanque hidroneumático.
Comprender las partes, cálculos, ventajas y desventajas del sistema de suministro con tanque hidroneumático.
3.
SISTEMA DE SUMINISTRO CON TANQUE HIDRONEUMÀTICO
3.1 HISTORIA DEL SISTEMA HIDRONEUMÁTICO Generalmente, los sistemas de distribución de agua requieren de ciertos equipos e instalaciones complementarias, a fin de lograr un funcionamiento satisfactorio de los mismos y, en otros casos, a fin de cumplir con los reglamentos de construcción aplicables. En el primer caso, podemos mencionar equipos elevadores de presión, albercas, etc.; para el segundo aspecto, tenemos como ejemplo los sistemas de protección contra incendios, fijados por los reglamentos, cuando el edificio tiene ciertas características. En cuanto a lo que nos interesa, los sistemas elevadores de presión, vienen a cinstituir la razon del uso de un sistema hidroneumático, veamos algunos datos historicos que nos llevan a esta necesidad.
Primeros sistemas hidroneumáticos, para elevar la presión de salida del agua
La evolución de los sistemas
elevadores de presiónhasta el encuentro con el sistema hidroneumatico, se presenta a continuación. Hacia principios de siglo, en el año de 1 900, la elevación de la energía del agua se lograba, mediante la conexión de un equipo de bombeo, de manera directa, a la red municipal de agua hacia el interior del edificio.
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Con este equipo de bombeo se pretendía mantener una presión constante en la red en las horas de consumo pico. No obstante, cuando los consumos disminuían, la energía no utilizada, causaba daños y problemas debido a los excesos de la presión. A fin de corregir lo anterior , se agregó a la instalación un sistema de control con base en la presión de operación máxima, de tal manera, que al llegar a ésta, el equipo de bombeo se detenía, y al descender dicha presión, el equipo se encendía inmediatamente. Estos sistemas eran de tipo automático, por lo que en horas de bajo consumo, al percibir cualquier demanda, el equipo se encendía, pero, puesto que se trataba de una demanda aislada, era satisfecha de inmediato. Lo anterior, originaba que el equipo de bombeo se encendiera y apagara continuamente, hasta que el mismo se quemaba. Lo anterior, nos indicaba que debería contarse con un sistema adicional de suministro de presión, a fin de evitar paros y arranques frecuentes de los equipos de bombeo.Hacia 1920, se inició la utilización de
sistemas hidroneumáticos que constaban de un equipo de
bombeo,
compresor
de
tanque
un aire,
metálico
presurizado y controles que
regulaban
los
arranques y paros, de los
ya
mencionados
equipos de bombeo y compresores de aire, según se presentaran las demandas. No obstante, se presentaron problemas en la utilización de estos sistemas,
Sistema de aire comprimido KAESER, cuyo funcionamiento se identifica con la de un tanque hidroneumático con la diferencia de que en este caso
principalmente en la elevación de presión de instalaciones hidráulicas de grandes dimensiones, al requerirse tanques presurizados con enormes volúmenes. Era problemática la ubicación de los tanques, así como el reemplazo de los mismos, en casos de averías, debido a problemas de erosión y/o corrosión. De alli en adelante hubieron diversas soluciones a los problemas encontrados, hasta llegar hasta la tecnologia de la cual gozamos.
Los tres sistemas elevadores de presión más utilizados son : 1. Sistemas de tanque elevado. 2. Sistemas de tanque hidroneumático. [Escriba texto]
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3. Sistemas de bombas elevadoras de presión (booster).
4.1 DEFINICIÒN 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 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.
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4.2 PARTES DEL SISTEMA A manera de introducción podemos ver a la derecha unSistema Hidroneumático domestico, cuyas partes están indicadas. En la parte de abajo el esquema de este sistema y las partes más sobresalientes: - Un tanque de presión - Un número de bombas acorde con las exigencias de la red
- Interruptor eléctrico - Llaves de purga - Válvulas de retención - Conexiones flexibles - Llaves de paso - Manómetro - Válvulas de seguridad, etc.
Como hemos visto en las figuras anteriores, hay elementos que sobresalen siempre y que vienen a constituir las partes mas importantes de un sistema hidroneumatico, a continuacion describiremos a cada una de ellas.
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TANQUE DE PRESION (PRESURIZADO) Un tanque presurizado es un depósito cilíndrico cerrado herméticamente que almacena el agua que ha de usarse en el edificio al que suministra agua, en tanto el equipo de bombeo se encuentra detenido. El tanque puede ser vertical y horizontal. La presión alta de operación de la red hidráulica del edificio, nunca debe exceder la capacidad máxima de presión del tanque presurizado. Esta capacidad la fija el fabricante, con base en el espesor de las paredes del tanque. La capacidad del tanque hidroneumático se realiza con base en los ciclos por hora en los que opera, entendiéndose por ciclo, la suma de los períodos de tiempo, durante los cuales el equipo de bombeo opera y posteriormente, descansa; esto es, podemos hablar de 6 ciclos por hora, en los casos en que, en una hora, el equipo de bombeo opera seis veces y descansa, también, seis veces, durante períodos de cinco minutos, en ambos casos. Así, son diez minutos, en total, por ciclo. La capacidad del tanque hidroneumático, se obtiene con base en la capacidad máxima del equipo de bombeo, que es igual a la manda máxima del sistema hidráulico, multiplicado por el tiempo de operación que se desea. El resultado se divide entre el por ciento de extracción que se puede obtener del tanque, de acuerdo con la sugerencia del fabricante. Las dimensiones del tanque a presión, se escogen tomando en cuenta como parámetros de calculo:
El caudal de bombeo: Qb
Los ciclos por hora: U
Y las presiones de operación.
El procedimiento es el siguiente: Determinacion del tipo de ciclo de bombeo(Tc): Representa el tiempo transcurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa asi:
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Cálculo del porcentaje del volumen útil (% Vu): Representa la relacion entre el volumen utilizable y el volumen total del tanque, y se podrá calcular a través de:
Cálculo del del volumen del tanque (Vt):
En la gran mayoría de los casos, las tablas proporcionadas por los fabricantes, para la selección de los equipos hidroneumáticos, simplifican los cálculos.
EQUIPOS DE BOMBEO Estos equipos de bombeo conducirán el agua de la fuente de abastecimiento hasta la red de distribución y/o la red según sea el caso. Debido a la versatilidad de las bombas centrífugas, se recomiendan éstas para ser utilizadas en conjunto con los sistemas hidroneumáticos. Para la selección de los equipos de bombeo, debe ser consideradas la presión máxima de operación, así como el gasto máximo requerido por la red hidráulica. Asimismo, en caso de ser posible, debe seleccionarse el equipo de bombeo, que opere, para diversas demandas del sistema, en rangos aceptables de eficiencia. Por lo general, las curvas características de operación de las bombas que cumplen con el criterio anterior, tienden a ser de tipo vertical, lo que permite mayor eficiencia, al operar en los gastos máximo y mínimo.
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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 más 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:
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%.
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COMPRESOR DE AIRE O SUPERCARGADOR Este elemento, llámese compresor de aire o supercargador, tiene como función suministrar aire, cuando se hace necesario, al tanque presurizado. La válvula conocida como supercargador (véase la figura),
Válvula su e car ador
está diseñada para mantener una relación correcta de aire y agua en el tanque presurizado. Opera de la siguiente manera: cuando el nivel de agua del tanque está por encima del establecido, el supercargador funcionará en conjunto con el equipo de bombeo para ingresar aire al tanque, y lograr el porcentaje adecuado de la relación aire-agua; al arrancar la bomba, en el impulsor se generan presiones negativas (succiones) por lo que la presión en el tanque es mayor a la del equipo de bombeo, por lo que se obliga al agua del tanque a fluir por el venturi del supercargador. Como resultado del vacío parcial, el aire es jalado hacia la válvula de entrada de aire del supercargador. Un desviador hace que el agua fluya bajo las paredes del supercargador, separando aire de agua; como el aire se acumula dentro del mismo, el nivel del agua baja, hasta que la válvula del flotador se cierra, provocando que el flujo del agua se detenga entre el tanque y la bomba, antes que el aire se puede llevar dentro de la succión de la misma. Con la válvula de flotador cerrada, el aire se comprime a la misma presión que está en el tanque, y así permanece hasta que la bomba se detiene. Entonces, la presión en la entrada de la succión llega a ser igual a la del tanque, por lo que el flotador se eleva, y al agua pasa del tanque a la bomba, y termina dentro del supercargador. El aire acumulado en éste, se obliga a salir al exterior y dentro del tanque de presión. Con cada ciclo de bombeo, esta acción se repite siempre que la presión suficiente se transfiera dentro del tanque para permitir que el nivel de agua en el tanque esté ligeramente abajo de la entrada del supercargador en su presión de arranque. El supercargador automáticamente permite el ingreso de aire cuando el nivel de agua del tanque sube por encima de la entrada del mismo. Este tipo de sistema de suministro de aire, es utilizado en sistemas hidroneumáticos pequeños y medianos. Para el caso de sistemas hidroneumáticos de grandes dimensiones, se recomienda la utilización de compresores de aire.
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4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL SISTEMA VENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS Como
ya
se
mencionó
anteriormente, la comparación se realiza entro los tres sistemas que se describen en este trabajo. Las principales ventajas de los sistemas hidroneumáticos son las siguientes: El tanque presurizado puede
amortiguar
problemas de golpe de ariete. Puede ser ubicado en cualquier
sitio
del
edificio, sin afectar su operación. No requieren estructuras especiales para su colocación.
DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS Las desventajas de dichos sistemas son los siguientes: Tienen mayor costo inicial. El tanque tiene que operar de manera completa, aún en períodos de poca demanda, puesto que no puede ser seccionado o dividido. Los
tanques
grandes debido porcentaje
tienen
dimensiones, a
que de
utilizable,
el agua para
suministrar a la red de distribución, es reducido. Requiere mayor espacio para su instalación.
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5. CONCLUSIONES
La teoría sobre suministro de agua por tanque hidroneumático, tiene su parte de cálculo al momento que se estudian las partes del sistema, puesto que en cada una de estas se debe hacer un análisis de las condiciones físicas mecánicas e hidráulicas con las que trabajara; de esta forma completa el estudio hecho de manera concisa sobre este tema
En cuanto al mantenimiento, no se ha mencionado de manera precisa en los temas vistos; sin embargo es un concepto bastante importante para potenciar el funcionamiento de los equipos tanto para sistemas hidroneumáticos, como para calentadores de agua y sus partes.
SUGERENCIAS
Por ser un sistema cada vez más utilizado, es que se debe estudiar con mayores detalles y obtener mayores conocimientos acerca del tema.
Se recomienda este sistema porque han demostrado ser una opción eficiente y versátil, con grandes ventajas frente a otros sistemas.
El diseño del sistema debe considerar un tiempo mínimo entre los encendidos de las bombas conforme a sus especificaciones.
Tomar en consideración al momento de diseñar un tanque hidroneumático todas las consideraciones necesarias para un correcto funcionamiento.
6. BIBLIOGRAFÍA
Sistemas Hidroneumáticos, Escuela de ingeniería de Antioquia. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/hidroneumaticos/paginas/hidr oneumaticos.htm Capítulo 3. Instalaciones y equipo complementario en las redes de distribución de agua. http://www.capac.org/web/Portals/0/biblioteca_virtual/doc001/CAP3/CAP3.htm http://www.wikipedia.org/ Guía práctica sobre instalaciones centralizadas de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) en edificios de viviendas, Ricardo García José, Ministerio de industria turismo y comercio, Gobierno de España. Cálculo del consumo de agua caliente sanitaria,CLEANERGYsolar.com Reglamento Nacional De Edificaciones, Norma S 0.10
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