SISTEMA_INDIRECTO_R02

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN Curso: INSTALACIONES SANITARIAS CODIGO: SA513G TEMA: SISTEMA INDIRECTO DE SUMINISTRO DE AGUA ING. CARLOS AUGUSTO AZCOYTIA PARRA FECHA: Noviembre 2007

CAPITULO SIETE: Sistema de Distribución Indirecta de Agua Definición, partes componentes, diseño de cada una de ellos: tubería de alimentación, cisterna, tanque elevado y sus respectivas conexión complementarias. SISTEMA INDIRECTO DE SUMINISTRO DE AGUA DEFINICIÓN: Se llama indirecto por que el suministro de agua a los puntos de consumo (aparatos sanitarios) no es directamente por la presión de la red pública. Se utiliza cuando la red pública de agua potable no garantiza el servicio continuo, gasto necesario y/o presión mínima suficiente para abastecer a todos los aparatos de edificación, especialmente a los mas alejados vertical u horizontalmente de la matriz, entonces, se hace necesario almacenar en depósitos llamados cisterna y/o tanque elevado, a partir de donde se suministra a los aparatos sanitarios de los edificios. Existen los siguientes sistemas: A. Tanque elevado con alimentación directa de la red pública y abastecimiento a los aparatos del edificio por gravedad B. Tanque elevado de nivel flotante C. Cisterna equipo de bombeo y tanque elevado D. Cisterna equipo de bombeo y tanque hidroneumático E. Sistema mixto o combinado A. Tanque elevado con alimentación directa de la red pública y abastecimiento a los aparatos del edificio por gravedad Este sistema consiste en contar con un tanque de almacenamiento, ubicado en un lugar conveniente y a una altura adecuada y suficiente presión la red publica como para llevar el agua potable hasta el tanque elevado y entregar con una presión mínima requerida al aparato más desfavorable. El sistema consta de: 1. Conexión domiciliaría o acometida, comprendida desde la tubería matriz de la red pública hasta el medidor. 2. Medidor de consumo.

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3. Tubería de llenado desde el medidor hasta el tanque elevado, incluyendo válvulas y accesorios necesarios. 4. Tanque elevado de la capacidad calculada. 5. Sistema de distribución por gravedad, desde el tanque elevado hasta cada uno de los puntos de consumo de la edificación Ventajas: a. No necesita cisterna y equipo de bombeo b. Existe reserva de agua potable almacenada en el tanque elevado, para utilizar en casos de interrupción de servicio publico c. Bajo costo de operación y mantenimiento Desventajas a. Se necesita suficiente presión para llenar el tanque elevado. b. Es utilizado para uno o dos niveles B. Sistema Tanque elevado de nivel flotante Este sistema es similar al caso anterior, con la diferencia de que la tubería de llenado y la tubería de distribución es la misma, de modo que los ramales de distribución se pueda abastecer directamente de la red pública cuando la presión es superior a la del tanque, o del tanque cuando su carga es superior a la presión de la red externa. En este caso el sistema consta de: 1. Conexión domiciliaria o acometida, comprendida desde la tubería matriz de la red pública hasta el medidor. 2. Medidor de consumo. 3. Tubería de llenado y o distribución, incluyendo válvulas y accesorios 4. Tanque elevado de la capacidad calculada. Ventajas a. No necesita cisterna y equipo de bombeo b. Existe reserva de agua en caso de interrupción del servicio público c. Sistema económico. d. Fácil de instalación Desventajas a. Se necesita suficiente presión para llenar el tanque elevado 2


b. Es este tipo de diseño es necesario la ubicación de una válvula de retención check, que impida el regreso de las aguas almacenadas en el tanque elevado, cuando la presión en el tanque es mayor que la presión de la red publica. La experiencia a demostrado que la vida útil efectiva de estas válvulas es de pocos años teniendo como consecuencia que los tanque se vacíen debido a la perdida de agua, originando el contacto de las aguas almacenadas y el sistema público, con el consiguiente peligro de contaminación de la red publica y de quedarse sin agua el edificio C. Sistema Cisterna equipo de bombeo y tanque elevado Este sistema se utiliza cuando la presión disponible en la red pública es menor que la presión requerida para el abastecimiento del edificio Por lo tanto es necesario un sistema de almacenamiento, un equipo de bombeo que succiona el agua de la cisterna e impulsa al tanque elevado ubicado en un lugar conveniente y a una altura adecuada como para entregar el agua potable al aparato más desfavorable con una presión mínima establecida en el Reglamento Nacional de Construcción A partir del tanque elevado mediante gravedad se distribuye el agua a todos los puntos de consumo del local. En este caso el sistema consta de: 1. Red Pública de la ciudad o urbanización 2. Ramal domiciliar, que viene hacer la acometida, o sea la tubería que toma el agua de la red pública hacia el edificio 3. Medidor de consumo 4. Tubería de alimentación, comprendida entre el medidor y la entrega a la cisterna de almacenamiento 5. Válvula a flotador 6. Cisterna almacenamiento de capacidad calculada de acuerdo al Reglamento y que abastece las 24 horas 7. Tubería de succión de la cisterna al equipo de bombeo, incluyendo válvula d pie

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8. Equipo de bombeo (Conjunto motor bomba) incluyendo controles de nivel, tablero de control eléctrico en caso de electro bombas y demás accesorios 9. Línea de impulsión o tubería de impulsión que bombea agua de la cisterna al tanque elevado. 10. Tanque elevado de la capacidad calculada de acuerdo al Reglamento. Deposito en la parte alta del edificio que almacena agua 11. Salida o salidas del tanque elevado hasta el piso de la azotea. 12. Alimentador o alimentadores 13. Ramales de distribución VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE ESTE SISTEMA A.- Ventajas a. Presión constante y razonable en cualquier punto de la red interior b. Existe reserva de agua en caso de interrupción del servicio. c. Las presiones que se obtiene en el edificio, son mas constantes, siendo esto, muy favorable para el suministro de agua caliente. B.- Desventajas a. Mayor posibilidad de contaminación en los tanques de almacenamiento: sea en la cisterna o en el tanque elevado b. Requiere de equipo de bombeo (Presencia del factor costo de la energía eléctrica), es un sistema caro con respecto al directo c. Mayor refuerzo de la estructura por la construcción de los tanque de almacenamiento D. Cisterna equipo de bombeo y tanque hidroneumático En este caso se utiliza la presión disponible de la red del servicio publico llenando la cisterna y por intermedio de un equipo de bombeo se alimenta a un tanque hidroneumático. El tanque hidroneumático impulsa el agua a cada uno de los puntos de consumo del edificio; con presión constante y adecuada según el 4


requerimiento del sistema, tomando como referencia el aparato mas es favorable sea este de tanque o con válvula (fluxómetro) Generalmente este sistema se instala en grandes edificaciones de crecimiento horizontal, tales como hospitales, colegios, clubes por tanto es necesario instalar una cisterna de almacenamiento de capacidad calculada. Partes fundamentales de que consta: 1. 2. 3. 4.

Conexión domiciliaria o acometida Medidor de consumo Caja porta medidor Tubería de alimentación desde el medidor hasta la cisterna de almacenamiento 5. Cisterna de almacenamiento 6. Tubería de succión de la cisterna al equipo 7. Equipo de bombeo 8. Tubería de impulsión 9. Tanque hidroneumático compuesto de: a. Cargador de aire compresor b. Controles de presión, nivel de agua etc. c. Tablero de control eléctrico 10. Tubería alimentadora 11. Sistema de distribución desde el equipo hidroneumático hasta cada uno de los aparatos de la edificación 12. Válvula check, compuerta y accesorios Ventajas a. Se entrega presión constante y adecuada en todos los puntos de consumo. b. Es fácil para instalar c. Evita la construcción del tanque elevado Desventajas a. Al existir corte de fluido eléctrico, se interrumpe el flujo de agua que suministra al edificio b. Los aparatos sanitarios incluyendo grifería y conexiones ubicados cerca al tanque hidroneumático corren el riesgo de malograrse antes del tiempo previsto debido a la presión elevada que reciben, por lo que necesario instalar válvulas reductoras e presión c. Necesita un espacio adecuado par la instalación del equipo hidroneumático

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d. El servicio de mantenimiento del equipo hidroneumático es costoso en comparación con el tanque elevado. e. No es recomendable utilizar este sistema en sitios en donde no existen personal idóneo para operar y velar por su mantenimiento E. Sistema mixto o combinado Se utiliza este sistema cuando la presión de la red pública, nos permite, suministrar directamente a los aparatos sanitarios de cierto a ambientes ubicados cerca al ingreso de la red troncal de agua y/o niveles inferiores que necesita suministro ininterrumpido no así a los ambientes lejanos y/o niveles superiores que serán alimentados n forma indirecta, debido a que la presión de la red publica se hace insuficiente. Este sistema mixto consta de: a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. k. l.

Tubería de acometida. Medidor de consumo Tubería de alimentación sistema indirecto Tubería de alimentación sistema directo Ramales sistema directo Cisterna Tubería de succión Equipo de bombeo Tubería de impulsión Tanque elevado Tubería de alimentación Ramales

Ventajas a. Presión adecuada en todos los puntos de consumo b. Construcción de tanque de almacenamiento de menor volumen c. En lo niveles inferiores las válvulas, conexiones y griferías no se ven afectados por excesivas presiones que se presentan en un sistema normal Desventajas a. Puede surgir una caída permanente de presión en la red que no permita alimentar en los pisos inferiores, con lo que originaría el ampliar la capacidad de los tanques de almacenamiento incluido equipos e interconexiones 6


C. Sistema Cisterna equipo de bombeo y tanque elevado CALCULO DE CADA UNO DE SUS PARTES Ramal domiciliar o acometida. Es el tramo de tubería comprendida entre la tubería matriz pública y la ubicación del medidor o dispositivo de regulación. Fig. 3.2 El diámetro de este ramal nos proporciona la Empresa SEDAPAL o empresa prestadora del servicio de agua potable, una vez aprobado por el organismo encargado de dar la licencia de construcción. Este diámetro es por lo general de 5/8” o ¾” y a lo máximo de 1”. El material puede plástico o fierro fundido. Medidor Definición. Es un dispositivo que nos permite aflorar la cantidad de agua que se abastece a un edificio o a una casa, para que mediante una tarifa especial se pague el consumo de agua. Clases. A.- Velocímetros: Están formados de una turbina o especie de hélice que secciona el turbo de acuerdo a las revoluciones de este hélice y mediante aparatos de relojería nos indica el volumen de agua que pasa a través de el. Ventajas.a. Son de bajo costo. b. Permite medir aguas potables con cierta materia en suspensión. c. No interrumpe el flujo de agua en ningún momento. Desventajas a. No son muy precisos b. Las piezas tienen que ser reparadas constantemente B.- Volumétricos Están formado de compartimientos que son llenados y vaciados, mediante aparatos de relojería nos permite conocer la cantidad de agua que pasa a través de ellos. Ventajas a. Son de gran precisión b. No son de gran mantenimiento

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Desventajas a. No admiten agua con materia en suspensión b. Los volumétricos son usado por SEDAPAL hay marcas como BADGER, KENT, etc Selección y cálculo del medidor El medidor se selecciona en base al gasto que circula a través de la tubería, debiéndose tener en cuenta que la máxima perdida de carga en el medidor debe de ser el 50% de la perdida de carga disponible es decir : Hfm=50% Hf de la presión en la red pública, para el punto mas desfavorable del edificio, despejando Hf tenemos: PM=Ht+Hf+Ps Formula General Hf = PM-(Ht+Ps) Hfm = 50/100(PM-Ht-Ps) Donde: Hfm = Perdida de carga en el medidor PM = Presión en la matriz o red publica Ps = Presión de salida mínima Hf = Perdida de carga Ht = Altura estática del edificio se toma desde el nivel de la red pública. Con un mismo gasto, se puede seleccionar una variedad de medidores. En el ábaco correspondiente se puede seleccionar el diámetro del medidor. Tubería de alimentación: Definición.- Es le segmento de tubería comprendida entre el medidor y la entrega en la cisterna DETERMINACIÓN DE LA TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN DE LA RED PUBLICA HASTA LA CISTERNA Elementos a tomar en cuenta en el cálculo de esta tubería: a. Presión en la red pública b. Longitud de la tubería c. Conocer el tiempo de llenado de la cisterna. Este tiempo se asume ente 4 y 6 horas que son comprendidas entre las 12 y 6 de la mañana. 8


d. El gasto que pasa por la tubería e. Volumen de la cisterna f. Presión de salida (Ps) en la cisterna; se supone 2 libras/pulg cero.

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o

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO: Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores y los datos de presión en la red pública proporcionado por la Empresa prestadora de los servicios, el problema consiste en calcular el gasto de entrada y la carga disponible seleccionándose luego el medidor, teniendo en cuenta que la máxima perdida de carga que debe tomar el medidor debe ser el 50% de la carga disponible. Obtenida la verdadera pérdida de carga del medidor, se obtendrá nueva pérdida de carga disponible, procediendo luego de tanteos de diámetro a seleccionar el mas conveniente.

Ejemplo practico: Seleccionar el diámetro de la tubería de alimentación de la red matriz hacia a cisterna de un edificio. Conociendo que la presión en la red matriz es de 12 mca y una presión de salida en la cisterna de 3 mca y un desnivel entre la acometida dela red matriz y la llegada de la cisterna de 1.20 m. La longitud de la tubería es de 12 m; el volumen de l cisterna es de 9.00 m3 El tiempo en el que debe llenarse la cisterna es de las 12 a.m. a las 4 a.m. Los accesorios a utilizar: Dos válvulas de paso Una válvula de compuerta Cuatro codos de 90º Un codo de 45º Solución: Conociendo que: PM = Hf +Ht +Ps despejando Hf se tiene: Hf disponible = PM-( Ht +Ps ) = 12 –( 1.20+2) = 8.80 MCA. Tiempo de llenado de 12 horas a 4 horas = 4 horas. Se sabe que Q= V/T por lo tanto Q= 9 m3/4 horas = 2.25 m3/hrs 9


2 Q = 2.25 m3/hrs = 0.63 lt/seg Tramo A- B Datos Q = 0.63 lts/seg Se asume el diámetro de ¾” y usando la formula de la velocidad V =1.974 x 0.63/(3/4)2 se obtiene = V = 2.21 m/seg Cálculo de perdida de carga por accesorios Le: 2 1 4 1

válvulas compuerta ¾” = válvula compuerta ¾” = codos de 90º de ¾” = 4 codo de 45º de ¾” =

2 X 0.164 = 1 x 0.164 = X 0.777 = 1 X 0.363 = Total

Se sabe que Hfab = S x L donde S = 1741 (Q/C) Donde q= 0.63 c= 150 D = ¾”= 0.164

1.85

0.328 0.164 3.108 0.363 -------3.963 /D4.81

S = 1741(0.63/150)1.85/(0.164)4.87 = 0.283 Hfab = 0.283 x (12+3.963) = 4.52 m. Comparando con la perdida de carga disponible se observa que: Hfab = 4.52 < Hf disponible = 8.80 por lo tanto se acepta ¾ “ El diámetro de alimentador será de ¾ “ Otro ejemplo practico: Datos: Presión en la red pública = 20 libras/pulg2 Presión mínima de agua a la salida de la cisterna = 2.00 m Desnivel entre la red pública y el punto de entrega a la cisterna= 1.00m Longitud de la línea de servicio = 20.00 m La cisterna debe llenarse en un periodo de 4 horas Volumen de la cisterna = 12 m3 Accesorios a utilizar: 1 válvula de paso, 1 válvula de compuerta, 2 codos de 90º y 1 codo de 45º Se trata de calcular: El diámetro del medidor y 10


El diámetro de la tubería de alimentación a la cisterna Solución Diámetro del medidor Cálculo del gasto de entrada: Q = Volumen / Tiempo = 12000 litros/14400 seg = 0.833 Donde lts/seg = 13.2 GPM Cálculo de la carga disponible: Hfd = PM-(PS + HT) Hfd = Carga disponible PM = Presión de la red PS = Presión de salida HT = Altura de la red a la cisterna Hfd = 20 - (2.00 x 1.42 + 1.00 x 1.42) Hfd = 15.74 lbs/pulg2 O también en metros de columna de agua: H = 14.00 - (2.00 + 1.00 ) = 11.00 MCA Selección del medidor: Siendo la máxima perdida de carga del medidor el 50 % de la carga disponible se tiene: Hfd = 0.5 x 15.74 = 7.87 libras/pulg2 Con este valor en el ábaco del medidor se tiene: DIÁMETRO 5/8” ¾” 1”

PERDIDA DE CARGA 10.5 libras/pulg2 (7.15 m) 3.8 libras/pulg2 (2.66 m) 1.7 libras/pulg2 (1.18 m)

Por lo tanto seleccionamos el medidor de ¾ “ Selección del diámetro de la tubería de alimentación: Como el medidor ocasiona una perdida de carga de 3.8 libras/pulg2 la nueva perdida de carga disponible será:

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Hfd = 15.74-3.8 = 11.94 libras/pulg2 = 8.358 mca Asumiendo un diámetro de ¾” La longitud equivalente por accesorios: 1 válvula de paso de ¾” = 0.10 1 válvula de compuerta de ¾” = 0.10 2 codos de 90º (2 x0.60) = 1.20 1 codo de 45º = 0.30

m m m m

Longitud equivalente

=

1.70 m

Luego la longitud total es de

=

20.00+1.70 = 21.70 m

En el ábaco: Q = 0.835 l.p.s. D = ¾”

s = 800 m por 1000 m = 0.8 m/m

Luego Hf = 21.70 x 0.8 = 17.36 metros de columna de agua Pero como 8.36 < 17.36 se tiene que seleccionar una tubería de mayor diámetro, asumiendo un diámetro de 1”, calculamos la longitud equivalente por accesorios para un diámetro de 1” : Asumiendo un diámetro de 1” La longitud equivalente por accesorios: 1 válvula de paso de 1” = 0.20 1 válvula de compuerta de 1” = 0.20 2 codos de 90º (2 x0.70) = 1.40 1 codo de 45º = 0.40

m m m m

Longitud equivalente = 2.20 m Luego la longitud total es de: 20.00 m + 2.20 m = 22.20 m En el ábaco: Q = 0.835 l.p.s. D = 1”

s = 180 m por 1000 m = 0.18 m/m

Luego Hf = 22.20 x 0.18 = 3.996 metros de columna de agua Observándose que 8.36 mca > 3.996 mca se puede concluir que el diámetro de 1”, es el correcto: Por lo tanto : Diámetro del medidor ¾”

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Diámetro de la tubería de alimentación 1” PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR LOS ALIMENTADORES DE UN SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA DE ARRIBA HACIA ABAJO: Se deberá tener en consideración las siguientes pautas: 1. Efectuar un esquema vertical de los alimentadores, teniendo en cuenta que cada alimentador debe abastecer con el menor recorrido a los diferentes servicios higiénicos. Generalmente en edificios los baños o grupos de baños, se ubican en el mismo plano vertical. 2. Dimensionar los esquemas con la ayuda de los planos. 3. Par cada alimentador calcular las Unidades de Gastos UH y los gastos acumulados, desde abajo hacia arriba, anotando el gasto total a nivel de plano de la azotea. 4. Ubicar todos los alimentadores en el nivel de plano de la azotea. 5. De acuerdo a la ubicación de cada uno de los alimentadores proyectar las posibles salidas del tanque elevado que abastecerá a los diferentes alimentadores, sea independiente o agrupados. En el caso de se independientes dará lugar a tener un gran numero de salidas, por lo que se recomienda agruparlos de modo que se obtenga una distribución racional del agua. 6. Determinar el punto de salida más desfavorable, teniendo en cuenta que corresponde al mas alejado horizontalmente desde el tanque elevado y que tiene menor altura estática con respecto al nivel mínimo de agua del tanque elevado. 7. Calcular la presión en el punto de consumo más desfavorable. Se debe proceder de la siguiente forma: a) Determinar la máxima gradiente hidráulica disponible S max. (Máximo factor de conducción) considerando el ramal de distribución de abastecer al punto de consumo más desfavorable. La altura disponible comprende el resultado obtenido al descontar la presión mínima requerida la altura estática entre el punto de consumo mas desfavorable y el nivel mínimo de agua en el tanque elevado; la longitud equivalente comprende la longitud real de tubería a la que se aumenta un determinado porcentaje de perdida de carga por accesorios 13


estimándose este en un 20 % como un primer tanteo y para simplificar los cálculos b) Obtener con la S max. el gasto correspondiente y con el valor de C=100 o C= 150 según se indique los diámetros para cada tramo. Estos diámetros obtenidos serán diámetros teóricos por tanto se deberá considerar los diámetros comerciales. c) Con los diámetros comerciales y los gastos respectivos, calcular la gradiente hidráulica real (S real) para cada tramo. d) Calcular la perdida de carga real (H real) multiplicando la longitud equivalente (Le) por la gradiente hidráulica real (S real) e) Calcular la presión en el punto de consumo mas desfavorable descontando a la altura estática total (diferencia de nivel entre el ramal de alimentación al nivel mínimo de agua en el tanque elevado) las perdidas de carga de todos los tramos. f) Tener en cuenta que cuando aumenta la altura estática a un piso inferior también aumenta la presión, debiéndose cumplir cualquiera de las siguientes condiciones: f-1 Que la Presión en un punto”x” en el nivel del piso inferior = Altura estática al punto “x” menos la suma de perdidas de carga hasta el punto “x”. f-2 Que la Presión en un punto”x” en el nivel del piso inferior = Presión en el punto mas bajo mas la altura entre piso menos la perdida de carga en ese tramo. g) Verificar que la presión obtenida en el punto mas desfavorable sea mayor que la presión mínima requerida, de lo contrario será necesario reajustar los diámetros obtenidos. 8. Cálculo de la presiones en otros puntos de consumo. Se debe tener en cuenta que obteniendo la mínima presión en el punto de consumo mas desfavorable el resto de tramos requerirá de diámetros menores, siempre que cumpla con las condiciones limites de velocidades y gastos a conducir. 14


Se recomienda lo siguiente: a)

A partir del punto mas desfavorable es necesario determinar la nueva gradiente hidráulica. Para este fin se puede seguir cualquiera de los dos procedimientos siguiente:

a-1

La altura disponible será la que se obtenga descontar a la altura estática existente entre el nivel agua inferior del tanque elevado y el nuevo punto consumo, la presión de salida requerida y la perdida carga hasta el final del tramo por calcular es decir:

de de de de

Altura disponible a un punto “x” (Hd) = Altura estática al punto “x” – presión de salida – pérdida de carga hasta el punto “x” a-2

La altura disponible será la que se obtenga al sumar a la presión obtenida en el punto mas bajo la altura entre pisos descontándose a este resultado la presión de salida requerida es decir:

Altura disponible a un punto “x” (Hd) = Presión en el punto mas bajo + Altura entre pisos – Presión d salida En ambos casos a.1 y a.2 la longitud equivalente será la que corresponda al tramo con la máxima gradiente hidráulica se continua el calculo tal como se explica en el ítem 7 b)

Al repetir el proceso de calculo anterior en los tramos subsiguientes se nota que a medida que aumenta la altura estática disponible la velocidad del flujo va incrementándose hasta alcanzar valores superiores al máximo recomendable (3.00 m/s) por lo que los diámetros se selección en función a la velocidad límite y el gasto deseado.

9. proceder a llenar la hoja de cálculo a fin de ir verificando los resultados.

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