experimentación y análisis de redes hidráulicas en edificaciones

VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006

EXPERIMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE REDES HIDRÁULICAS EN EDIFICACIONES

Jorge Armando Granados Robayo1 Resumen - Los sistemas de bombeo tienen una aplicación frecuente en el suministro de agua en edificios, entregando directamente desde el tanque de reserva hasta las griferías de los usuarios. Los controles de prendido y apagado empleados por los fabricantes de bombas, han evolucionado de tal forma que minimizan el tamaño de los equipos, pero traen consecuencias adversas sobre tuberías y accesorios. La medición de las fluctuaciones de presión y las recomendaciones para su control son el objetivo de la presente investigación. Se estudian los fenómenos hidráulicos de cavitación, Golpe de Ariete y Ciclaje de equipos de bombeo. Abstract - The systems of pumping have a frequent application in the supply of water in buildings, surrendering directly from the reservation tank until the fixtures of the users. The on - off controls used by the makers of bombs, they have evolved in such a way that minimize the size of the pumps, but they bring adverse consequences on pipes and accessories. The mensuration of the fluctuations of pressure and the recommendations for their control are the objective of the present investigation. The hydraulic phenomenons of cavitation, water Hammer and frecuence of starting pumps are studied. Palabras Clave - método de Hunter, unidades de suministro, golpe de ariete, cavitación.

1 Universidad Nacional de Colombia – Facultad de Ingeniería – Unidad Académica de Hidráulica – Bogotá D.C. – Ciudad Universitaria Cra 30 Calle 45 Tel: 3165000 ext. 13478 E-Mail: [email protected]


DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO - FRACCIONAMIENTO DE CAUDAL. En una edificación se hace obligatorio instalar un sistema de bombeo debido a la diferencia de altura respecto al tanque de reserva, a las presiones que se deben vencer en los tramos rectos de tubería, en los accesorios y principalmente en las griferías, calentadores de agua y medidores volumétricos. El Caudal instantáneo requerido en un edificio se determina mediante varios métodos, entre los cuales el más difundido es el de Unidades de Hunter, en el que se asigna un peso ponderado a cada elemento o aparato de consumo de agua de la edificación (ver tablas 1 y.2)2 Un aspecto que se debe tener en cuenta es que la demanda en un edificio es muy variable aún dentro de la hora pico, porque depende del número de aparatos en uso simultáneo, de su consumo, de la presión disponible en cada salida y del tipo de grifería. Por lo anterior, se acostumbra fraccionar el caudal calculado en dos o tres unidades, tratando de cubrir la curva de demanda de cada tipo de edificación. Una vez establecido el caudal pico o máximo probable, se debe fijar el otro factor relevante para la escogencia de las bombas, que es la presión mínima de servicio. Dicha presión depende de la combinación de elementos dentro de la vivienda como tuberías, accesorios, calentadores y griferías El caudal máximo probable tan solo se presenta algunos instantes durante el día, sin embargo es el que define la capacidad del sistema de bombeo. No se justifica mantener prendido un equipo con la máxima capacidad en caudal, por lo que se acostumbra a atender la demanda con dos o más bombas fraccionando el caudal estimado. Esto permite que una bomba pequeña mantenga la presión a bajos caudales, logrando así un ahorro en energía y bajo desgaste de los equipos, que son de un alto costo. 2 El método original está explicado en el texto “Hidráulica en edificaciones” Jorge Granados Robayo.


TABLA 1. Unidades Asignadas a Diferentes Aparatos De Consumo Aparato o

Grupo Tipo de Uso Tipo de Unidades de aparato

Suministro A. Caliente A. Fría Total Sanitario Público Fluxómetro - 10 10 Orinal Pedestal Público Fluxómetro �

1" - 10 10

Orinal de Pared Público Fluxómetro � 3/4"

- 5 5

Sanitario Público Tanque - 5 5 Regadera Ducha Público Mezclador 3 3 4 Tina Público - 3 3 4 Lavamanos Público - 1.5 1.5 2 Lavaplatos Público Mezclador 3 3 4 Hotel-Rest. Tina Privado Mezclador 1.5 1.5 2 Lavamanos Privado Mezclador 0.75 0.75 1 Sanitario Privado Tanque - 3 3 Regadera Ducha Privado Mezclador 1.5 1.5 2 Sanitario Privado Fluxómetro - 6 6 Lavadora Privado - 2 2 3 Lavadero Privado - - 3 3 Lavaplatos Privado Mezclador 1.5 1.5 2 Grupo de baño Privado Sanitario de

Fluxómetro 2.25 6 8

Grupo de baño Privado Sanitario de Tanque

2.25 4.5 6


TABLA 2. Unidades De Aparato Según Método De Hunter

Tabla 3. Fraccionamiento del Caudal

GPM LPS TANQUE FLUXÓMETRO GPM LPS TANQUE FLUXÓMETRO GPM LPS TANQUE FLUXÓMETRO1 0,06 0 - 45 2,84 107 37 145 9,15 611 5212 0,13 1 - 46 2,90 111 39 150 9,46 638 5593 0,19 3 - 47 2,96 115 42 155 9,78 665 5964 0,25 4 - 48 3,03 119 44 160 10,09 692 6315 0,32 6 - 49 3,09 123 46 165 10,41 719 6666 0,38 7 - 50 3,15 127 48 170 10,72 748 7007 0,44 8 - 51 3,22 130 50 175 11,04 778 7398 0,50 10 - 52 3,28 135 52 180 11,36 809 7759 0,57 12 - 53 3,34 141 54 185 11,67 840 81110 0,63 13 - 54 3,41 146 57 190 11,99 874 85011 0,69 15 - 55 3,47 151 60 200 12,62 945 93112 0,76 16 - 56 3,53 155 63 210 13,25 1018 100913 0,82 18 - 57 3,60 160 66 220 13,88 1091 109114 0,88 20 - 58 3,66 165 69 230 14,51 1173 117315 0,95 21 - 59 3,72 170 73 240 15,14 1254 125416 1,01 23 - 60 3,79 175 76 250 15,77 1335 133517 1,07 24 - 62 3,91 185 82 260 16,40 1418 141818 1,14 26 - 64 4,04 195 88 270 17,03 1500 150019 1,20 28 - 66 4,16 205 95 280 17,66 1583 158320 1,26 30 - 68 4,29 215 102 290 18,29 1668 166821 1,32 32 - 70 4,42 225 108 300 18,93 1755 175522 1,39 34 5 72 4,54 236 116 310 19,56 1845 184523 1,45 36 6 74 4,67 245 124 320 20,19 1926 192624 1,51 39 7 76 4,79 254 132 330 20,82 2018 201825 1,58 42 8 78 4,92 264 140 340 21,45 2110 211026 1,64 44 9 80 5,05 275 148 350 22,08 2204 220427 1,70 46 10 82 5,17 284 158 360 22,71 2298 229828 1,77 49 11 84 5,30 294 168 370 23,34 2388 238829 1,83 51 12 86 5,43 305 176 380 23,97 2480 248030 1,89 54 13 88 5,55 315 186 390 24,60 2575 257531 1,96 56 14 90 5,68 326 195 400 25,23 2670 267032 2,02 58 15 92 5,80 337 205 410 25,86 2765 276533 2,08 60 16 94 5,93 348 214 420 26,50 2862 286234 2,14 63 18 96 6,06 359 223 430 27,13 2960 296035 2,21 66 20 98 6,18 370 234 440 27,76 3060 306036 2,27 69 21 100 6,31 380 245 450 28,39 3150 315037 2,33 74 23 105 6,62 406 270 500 31,54 3620 362038 2,40 78 25 110 6,94 431 295 550 34,70 4070 407039 2,46 83 26 115 7,25 455 329 600 37,85 4480 448040 2,52 86 28 120 7,57 479 365 700 44,16 5380 538041 2,59 90 30 125 7,89 506 396 800 50,47 6280 628042 2,65 95 31 130 8,20 533 430 900 56,78 7280 728043 2,71 99 33 135 8,52 559 460 1000 63,08 8300 830044 2,78 103 35 140 8,83 585 490

CAUDAL UNIDADES DE APARATOCAUDAL UNIDADES DE APARATO CAUDAL UNIDADES DE APARATO

TIPO DE USO PROCENTAJE DEL CAUDAL MAXIMO PROBABLECAUDAL < 250 GPM CAUDAL 250-500 GPM

Apartamentos y oficinas 50/50 20/40/40Hoteles 65/65 30/40/40Colegios 50/50 20/40/40Hospitales 70/70 30/70/70Industrias 65/65 20/50/50Municipales 70/70 20/50/50


Figura 1. Instalación de dos bombas en paralelo para fraccionamiento del caudal

BOMBAS CENTRÍFUGAS50/5065/6570/70

ALMACENAMIENTO

FLOTADOR

VÁLVULA

BASE DE CONCRETO

BOMBA 1

BOMBA 2VÁLVULA

DE PIE

CHEQUE

A LA RED

TANQUE DE


Figura 2. Instalación de tres bombas en paralelo para fraccionamiento del caudal

PRENDIDO INTERMITENTE DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Existen problemas de tipo técnico en la operación de equipos de bombeo en cuanto a controlar el instante en que se deben prender y apagar los mismos para que coincidan con la curva de demanda de la edificación. La curva característica cabeza dinámica total contra caudal de las bombas centrífugas, presenta una relación definida obedece a la forma:

2QcQbdH ∗+∗+= (1)

en donde los valores d, b y c son propios de cada bomba, se puede saber el caudal si se conoce la cabeza o la presión en un punto cercano a la descarga de la bomba. Si a una bomba se le exige un alto caudal, la presión se reduce ocasionando deficiencias en los servicios. Basándose en esta propiedad, los fabricantes controlan la prendida de la segunda o tercera bomba cuando la presión desciende a un valor que no debe ser menor al calculado para el servicio más desfavorable del apartamento crítico del edificio. El problema continúa para la primera bomba que se denomina “jockey” o “líder”, porque al apagarla se despresurizaría la red. El sistema más conocido y aplicado para solucionar los inconvenientes mencionados es el denominado “hidroneumático” que se basa en conectar un tanque parcialmente ocupado por aire (a presión atmosférica o a la presión de diseño según el modelo) que reciba agua de la bomba simultáneamente con la operación de los servicios, aumentando la presión interna a medida que el agua disminuye la cámara de aire, dependiendo del punto de funcionamiento

BOMBAS CENTRIFUGAS

FLOTADOR

BASE DE CONCRETO

BOMBA 2

BOMBA 3

VÁLVULABOMBA 1DE PIE

CHEQUE

A LA RED

VÁLVULA

ALMACENAMIENTOTANQUE DE

20/50/5030/70/7030/40/4020/40/40


dentro de la curva de la bomba. Si la demanda es alta, la presión es baja pero si la demanda disminuye, la presión aumenta hasta llegar a un valor de caudal mínimo en que se puede apagar. En este instante, el agua dentro del tanque queda a la presión máxima ofrecida por la bomba y podría expulsar agua para atender esas demandas bajas. Cuando el aire se expande, la presión disminuye y la bomba debe prenderse nuevamente. Como resultado, la bomba está cambiando su punto de operación constantemente desde A hasta B en la figura 3.

Figura 3. Bomba multietapas usada en sistemas con hidroneumático. Como se aprecia en la figura 3, si la presión mínima calculada corresponde a 80 psi. , la presión de apagada se deja unos 20 psi. por encima, o sea en este caso en 100 psi. Si la demanda aumenta de 62 galones por minuto (punto en la curva correspondiente a 80 psi), la bomba ofrece menos de 80 psi de cabeza y se debe apoyar con una segunda bomba para atender el exceso de la demanda y si entre las dos no pueden sostener la presión mínima calculada (80 psi) se debe prender una tercera. Es importante hacer una buena elección del fraccionamiento del caudal de diseño por las siguientes razones: − Bajo costo de operación. − Operación más silenciosa. − Provisión para el caso de mantenimiento. − Optimización del sistema.

10

ALT

UR

A D

INÁ

MIC

A T

OTA

L (p

si)

BOMBA VERTICAL TIPO TURBINADE SEIS IMPULSORES EN SERIE

0 5

20

40

60

100

80

120

140

160

VP 135 - 6.6 TRIF

30

CAUDAL (GPM)2015 25 35 40 45 50 55 60 65 70 75

6 ETAPAS

C

B

A


− Regulación de la frecuencia y duración de los ciclos en periodos de bajo flujo. Para este tipo de diseño con fraccionamiento de caudal, en el que se usa hidroacumulador, éste se debe diseñar para la primera bomba, las otras bombas arrancan por señal de presóstato debido a la baja presión por aumento de consumo. Otro aspecto relevante para hacer el fraccionamiento de caudal, es el número máximo de prendidas por hora que depende de la potencia de los motores. Motores pequeños resisten mayor número de prendidas y motores grandes limitan el encendido y apagado permanente de las bombas debido al sobrecalentamiento de los motores. La tabla 4 presenta los valores recomendados.

Tabla 4. Número de arranque por hora Vs. Potencia del motor POTENCIA TIEMPO ENTRE DOS NUMERO DE

H.P. ARRANQUES SUCESIVOS ARRANQUES/HORA(min)

1-3 1.2 503-5 1.8 33

5-7.5 2.0 307.5-15 3.0 2015-30 4.0 15

Más de 30 6.0 10 La descripción gráfica completa de esta operación se explica a continuación: SISTEMAS CON HIDRONEUMÁTICOS PRECARGADOS. Con el fin de acabar con los inconvenientes que significa el contacto directo agua-aire en la pérdida de volumen de este último y por consiguiente el efecto de regulación entre prendida y apagado, se han diseñado sistemas hidroacumuladores, los cuales constan de una bolsa de Neopreno-laminado, la cual recibirá el agua y entre su entorno y el tanque metálico el aire a presión determinada. Su función es mantener a presión constante la red de tuberías durante el tiempo en el cual la demanda es escasa, el fluido debe ser suministrado por el sistema de bombeo de tal manera que se garantice el tiempo entre dos encendidas consecutivas de la bomba. El funcionamiento del tanque se presenta en la figura No. 4. Una variación importante a los equipos con hidroneumático es restringir la entrada del agua al hidroacumulador proveniente de la bomba, colocando un cheque tipo cortina con un pequeño orificio que demora la entrada del agua cuando la bomba está prendida y permite la salida rápida cuando ésta se apaga. (Ver figura 6). Funciona como un temporizador hidráulico, disminuyendo el número de prendidas por hora de la bomba líder (“jockey”). Los fabricantes recurren a este truco para disminuir el tamaño de los tanques (ver figura 6). Otra alternativa usada es alternar las bombas en los sistemas dúplex o triplex, con lo que se disminuye el tiempo entre prendidas (o se aumenta en número de arranques por hora) sin que recaigan sobre el mismo motor.


FLECHA DIRECCIÓNDEL FLUJO

PALETAGRANDE

PALETAPEQUEÑA

TORNILLOAJUSTE

FLUJO

TUERCA

SALIDACABLES

TAPÓN 1/4" NPT

INTERRUPTORDE MERCURIO

TAPA

TORNILLOAJUSTE TAPA

Figura 4. Funcionamiento del hidroneumático precargado.

Figura 5- Interruptor por flujo para la segunda o tercera bomba en un sistema con hidroneumático.

ENTRADA DEL AGUA AL TANQUE

AIRE

AGUA

SALIDA DE AGUA DEL TANQUE

AGUA

AIRE

PRECARGA INICIAL

MEMBRANA

AIRE

MEMBRANA VACÍA

AIRE

LA BOMBA TERMINA UN CICLO

AGUA

AIRE


Como se explicó anteriormente hay una relación directa entre caudal y presión en las bombas centrífugas. Un arreglo que se ha intentado es prender la primera bomba por presión y la segunda y tercera cuando existen, por caudal, con ayuda de un detector de flujo similar al de la figura 5. El valor de velocidad que acciona el interruptor está relacionado con la longitud de la paleta.

PARA PROTECCIÓN POR BAJO NIVEL

APAGADO DE LA BOMBA EN SÓTANOPARA CONTROL DE PRENDIDA Y

FLOTADOR DE MERCURIO

FLOTADOR DE MERCURIO

ACERO O HIERRO GALVANIZADO

HIERRO GALVANIZADO

SUMINISTRO POR BOMBEO A PISOS ALTOS EDIFICIO

P.V.C.

FLOTADORMECÁNICO

VÁLVULA DE PIE

PARA VACIADO DE TANQUEUNIÓN ANTIVIBRATORIA

VÁLVULA REGULADORA

CHEQUE TIPO HIDRO

DE PRESIÓN

VÁLVULA

BOMBA 3

BOMBA 2

A PISOS BAJOS DEL EDIFICIOSUMINISTRO POR GRAVEDAD

VIENE DE TANQUE BAJO

ACERO

P.V.C. P.V.C.

P.V.C.

BOMBA 1BOMBA JOCKEY

CHEQUE PERFORADO

HIDRONEUMÁTICO

PRESOSTATOS

PRECARGADO

Figura 6. Disposición de elementos en un sistema controlado por hidroneumático precargado

(hidroacumulador)

CONSECUENCIAS DE PRENDER Y APAGAR UN SISTEMA DE BOMBEO. Existe un fenómeno conocido como golpe de ariete en sistemas de bombeo, ocasionado por el arranque y por la parada repentina de los motores, acción que se trata de efectuar al mínimo posible, salvo por fallas en la corriente o como caso extraño en la alimentación de edificios. Para una sola bomba, se muestra un ejemplo de cálculo de las presiones generadas por la falla en la energía eléctrica o por la suspensión del bombeo. Datos : Bombeo de tanque bajo a tanque alto. Diferencia de altura: 53.28 m Caudal: 16.2 l/s (257 gal/min.) Longitud: 600 m Diámetro: 6” PVC Unión Z RDE 26 (Diámetro interno: 6.115” o 0.155 m) Módulo de elasticidad de la tubería: 2.81 x 10-4 Kg./cm². Longitud equivalente de accesorios: 68.3 m Longitud total: 668.3 m Pérdidas por fricción: 668.3 x h%


( ) %48.0155.0

100103% 866.485.1

85.15

=×=×

××−

CQ

h (2)

Pérdidas por fricción: 668.3 x 0.48% = 3.23m. Altura dinámica de bombeo: 53.28+3.23=56.61 La bomba escogida por el proyectista fue la 3LR9 de INGERSOL DRESSER PUMPS a no=3500 rpm

Figura 7. Curva aproximada de la bomba usada en el ejemplo. Para la bomba 3LR9 de INGERSOL DRESSER PUMAS La situación definitiva es la siguiente:

Figura 8. Onda generada por interrupción del bombeo.

H

Q

d

Ho

Q=257GPM

H=d+bQ+CQ²

H

Hmáx =

Hmín=

Ho =

T

to = 0.95 3.79

2T = 7.58


Verificando la cota de la tubería en X=449m., Se presenta un riesgo de colapso ya que la Hmín estará por debajo del eje de la tubería en (47.6-28.2)=19.4 generando una presión negativa de (-19.4m.)que lógicamente no es posible (la máxima presión sería de –7.0 m. aproximadamente). Se presentará cavitación en la tubería y gran probabilidad de colapso (falla por aplastamiento).

Figura 9. Sobrepresión y subpresión generada en la tubería por la interrupción del bombeo. COMPARACIÓN CON EL CÁLCULO A TRAVÉS DE UN PROGRAMA DE COMPUTADOR.

Figura 10. Recorrido de la tubería.

27.8

27.8

Ho X=449m.

Hmín

Hmáx


Figura 11. Efecto del golpe de ariete por interrupción de la energía.

Figura 12. Comportamiento de presiones a la salida del equipo de bombeo.


Figura 13. Optimización del sistema con un hidroneumático de veinte (20) pies cúbicos de capacidad.

Figura 14. Condición final de presiones en la descarga del equipo de bombeo, con el control por medio de hidroneumático.


INVESTIGACIÓN SOBRE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO EN EDIFICACIONES DESTINADAS A VIVIENDA Y OFICINAS. Conocido el comportamiento de presiones en paradas y arranques de los sistemas de bombeo, se entró a investigar la presencia de este fenómeno en los equipos de edificios con el objeto de encontrar la causa de la rotura de tuberías y accesorios de PVC. En el seguimiento hecho a varios edificios con equipos de dos y tres motobombas instaladas en paralelo y controladas por hidroacumuladores, se notó que la primera bomba se prendía constantemente y que el tiempo de descanso era mínimo. Por ejemplo 2 minutos de operación y 10 segundos de descanso, lo que daba aproximadamente 28 arranques por hora. Por otra parte, rara vez entraba la segunda bomba y por consiguiente nunca entraba la tercera.

CON BOMBA "JOCKEY" Y BOMBAS DE APOYOESQUEMA TÍPICO EQUIPO DE BOMBEO

PRESOSTATOS

CHEQUE PERFORADO

BOMBA 2

BOMBA LÍDER O "JOCKEY"

BOMBA 3

TANQUE HIDRONEUMATICO

CON MEMBRANA DE NEOPRENO

Figura 15. Bombas de diferentes características en paralelo.

VARIACIONES DE PRESIÓN. Un aspecto en lo que coincidieron los usuarios, fue la variación brusca del caudal y de la temperatura en las griferías y lo más importante y de mayor trascendencia era la rotura de tuberías y accesorios, especialmente en las redes principales que van por ductos en los edificios. Para tratar de comprender los fenómenos que se presentan en los edificios, se adelantó una investigación completa de tiempos de operación y presiones instantáneas generadas por las bombas, con ayuda de un equipo compuesto por un transductor de presiones de alta velocidad de respuesta (envía datos cada 50 milésimas de segundo), un registrador analógico y digital y una interfase para computador. El registro se hace en forma continua y se almacena la información directamente en el computador. En las gráficas siguientes se muestra la configuración del equipo y una de las instalaciones en donde se hicieron mediciones.


CMHGHNHG

Kpa/psiOff

A LA ENERGIA 110/220V.

RC - 232INTERFASE

COMPUTADOR FLUKE 97OSCILOSCOPIO

TRANSDUCTOR350 mV

ANYWAVE

Y SOFTWARE

Figura 16. Equipo Fluke para medición de las variaciones de presión en un sistema hidráulico INFORMACIÓN OBTENIDA. El registro en todos los edificios fue similar. Se ilustra en la figura 18 el que se considera más representativo. Los valores en las abscisas corresponden al tiempo de medición y en las ordenadas a la presión instantánea registrada en la línea de descarga en el cuarto de bombas.

Figura 17. Cuarto de bombas del edificio tomado como referencia.

ACUEDUCTOACOMETIDA

SUCCION

BOMBA 1

BOMBA 2

BOMBA 3

FLUKEEQUIPOCONEXION

DESCARGAA POZO

HIDRONEUMATICOS

DISTRIBUCIONA LA RED DE

COMUNALESA SERVICIOS

A LA RED DEDISTRIBUCION


Figura 18. Imagen obtenida experimentalmente en la descarga de un equipo de bombeo. La primera conclusión importante que se obtiene de la investigación es que las presiones de apagado y prendido del equipo, no cumplen el rango de 20 p.s.i. para los cuales vienen calibrados los presóstatos y que indican los manómetros colocados en el tanque hidroneumático. Se espera que la bomba funcione entre los puntos A y B de la gráfica. En la realidad la presión cambia desde A hasta C en ascenso y luego en descenso tal como lo indica la medición representada en la Figura 3. La segunda observación relevante es que el cheque perforado a la entrada del hidroacumulador impide la comunicación rápida de la presión dada por la bomba, protegiendo la bolsa de neopreno por aumento repentino de volumen, pero a la vez está obligando a que la bomba trabaje en un rango de presiones más amplio, yéndose hasta muy cerca al punto de cierre (máxima presión a caudal cero). Como los presóstatos que dan señales a las bombas se conectan aguas abajo del cheque perforado o en la zona de aire del hidroneumático, las presiones registradas son diferentes a las presentadas en la red. Para el ejemplo mostrado, se obtiene como consecuencia de dicho arreglo, un rango de presiones entre prendido y apagado de 81 p.s.i. que se transmite a toda la red de tuberías. (Ver Figura 3 para rango de presiones de la bomba “jockey” y figuras 19 y 20 para operación del hidroneumático). Otra información que suministra el gráfico es que el ciclaje o número de prendidas por hora es muy alto, con un tiempo entre prendidas sucesivas de 72 segundos, que supera el máximo permitido para la potencia de los motores instalados. Otra consecuencia perjudicial para las redes en este tipo de equipo, es que se produce un descenso brusco de la presión, inmediatamente después del apagado en cada ciclo, correspondiente al reemplazo de la bomba por el hidroneumático en la tarea de suministrar caudal.

DESCENSO BRUSCO

TIEMPO ACUMULADO DE MEDICION = 8 Horas

EN LA GRAFICA SE APRECIA EL CICLAJE DEL EQUIPO DURANTE UN TIEMPO DE 500 SEG.

APAGA BOMBA

PRENDE BOMBA

P = 81 psi

t = 72 SEG72 PSI

153 PSI


Cuando la bomba está prendida la presión llega hasta el punto C de la curva característica de la Figura 3 con una pendiente positiva fuerte pero una vez se apaga la bomba, el descenso en la gráfica experimental es prácticamente vertical (cambio de presión en un décimas de segundo), por efecto de las pérdidas desde el hidroneumático hasta la red principal a través de un tramo de diámetro muy pequeño y con varios accesorios. (Ver Figuras 17,19 y 20). En la figura 19, la condición de suministro desde la bomba envía agua a la red de servicios de acuerdo con la demanda y simultáneamente al hidroneumático con un caudal muy bajo por la restricción de entrada causada por el cheque perforado. En la figura 20, el agua proviene solamente del hidroneumático, levantando totalmente la compuerta del cheque y venciendo pérdidas por fricción y por accesorios hasta el múltiple de las bombas. Todo lo anterior conduce a cambios bruscos y continuos de la presión, que inducen fatiga en el material, especialmente en los cambios de dirección como Tees y Codos por la concentración de esfuerzos en bordes y esquinas con ángulos de desarrollo muy bajos. Esta característica es propia de los materiales de PVC con accesorios soldados. La influencia del cambio de presión se puede analizar mediante la ecuación de todo elemento elástico:

εσ ∗= E (3) σ : Esfuerzo generado en la tubería (directamente proporcional a la presión). E : Módulo de elasticidad de la tubería (Constante para un determinado material). ε : Deformación unitaria. (Cambio de dimensión en el radio o en la longitud de la tubería). Como se aprecia en esta relación sencilla, la deformación de la tubería obedece a una gráfica similar a la de presiones por existir una linealidad en las variables. Por otra parte, el caudal en la instalación se ve también afectado según la relación discutida en el capítulo de accesorios:

PKQ ∗= (4) La constante K depende de la longitud de la tubería, de su diámetro, de los accesorios y de los equipos conectados en serie con los anteriores. Por lo tanto, las redes de agua fría que tienen una combinación favorable, cambiarán el caudal en una cifra mayor que las de agua caliente que contienen más restricciones. La mezcla en las duchas variará con la misma rapidez que la oscilación de presiones y por consiguiente la temperatura.


AGUA

AIRE

CHEQUE PERFORADO

OSCILOSCOPIOFLUKE 97

HACIA SERVICIO USUARIOSBOMBA PRENDIDA

PRESOSTATO

A TABLERO DECONTROL

Figura 19. Condición de la red con bomba prendida.

AGUA

AIRE

CHEQUE PERFORADO

OSCILOSCOPIOFLUKE 97

HACIA SERVICIO USUARIOSBOMBA APAGADA

PRESOSTATO

A TABLERO DECONTROL

Figura 20. Suministro a la red desde el hidroneumático.


De todos los efectos mencionados, el más grave es la rotura de accesorios por fatiga en los cambios de dirección. Para minimizar toda la cadena de consecuencias nefastas, se debe tratar de manejar presiones constantes para diferentes caudales y a diferentes horas del día. Una primera opción es usar bombas con curvas planas (Cabeza aproximadamente constante para varios caudales), pero en ese caso, el control por presóstato deja de ser eficiente y adicionalmente no existe un variedad suficiente de bombas para cubrir las diferentes demandas de caudal y presión. Por esta razón, las bombas más usadas son las multietapas o las que tengan curvas inclinadas descendentes porque ofrecen un rango de presiones alto para los caudales de diseño. Se notó además que el 90% del tiempo trabajó solo la bomba “jockey” o líder, indicando que los sistemas están sobredimensionados. Los ensayos se convirtieron en una herramienta clave para identificar y justificar los fenómenos que se presentan en las redes con sistemas de bombeo. A pesar del gran conocimiento que se obtuvo con estas pruebas, se percibe la necesidad de continuar las investigaciones y proponer sistemas de bombeo que realmente funcionen y eviten los problemas detectados. SOLUCIONES Y RECOMENDACIONES. Una vez conocidas las causas de los problemas de rotura de tuberías y accesorios, se continuaron los ensayos a nivel de laboratorio orientados a controlar la fluctuación de presión. Las válvulas que ofrecieron una alternativa de solución, fueron las reguladoras de presión con un sistema de control mecánico (mediante un resorte regulable) para mantener la presión constante aguas abajo sin ser afectada por la fluctuación aguas arriba.

Figura 21. Partes constitutivas de una válvula reguladora de presión sencilla.

VÁLVULA DE CIERRE

ESTRIBO

NEOPRENO

MEMBRANA DE

PARA UN RANGO DE PRESIONESRESORTE ESCOGIDO

TORNILLO DE REGULACIÓN

SALIDAENTRADA


En la figura 17, se puede suponer una válvula calibrada para una salida de 60 psi. La membrana está sometida en toda su superficie a una presión de 60 psi. Recibe por lo tanto una fuerza orientada de abajo hacia arriba, proporcional a dicha presión y a la superficie de la membrana. Esta fuerza está equilibrada por el muelle o resorte situado del otro lado de la membrana. Cuando no hay flujo, o sea que ningún grifo está abierto en la salida, el equilibrio se mantiene: 80 psi o más en la entrada, 60 psi en la salida.

SALIDAENTRADA

ZONA DE ALTAPRESIÓN ZONA DE BAJA

PRESIÓN

ZONA DE ALTAPRESIÓN ZONA DE BAJA

PRESIÓN

CONDICIÓN DE FLUJO MÍNIMO CONDICIÓN DE FLUJO MÁXIMO

ENTRADA SALIDA

Figura 22. Principio de operación de una válvula reguladora de presión. Cuando se abre un grifo, la presión de salida tiende a bajar ligeramente. La fuerza comunicada por la presión a la membrana resulta entonces inferior a la fuerza aplicada por el resorte, la membrana se deforma y con ella bajan el estribo y la válvula de cierre. Esta última, se separa de su asiento y permite la circulación del agua. Cuando se vuelve a cerrar el grifo, la presión de salida vuelve a su valor inicial, o sea 60 psi. La presión por debajo y el muelle por encima de la membrana equilibran sus fuerzas, la válvula de cierre vuelve a su punto inicial de posición cerrada.El funcionamiento de las reguladoras es muy sencillo. No existe ningún elemento de compensación que pueda producir fricciones causantes de incrustaciones, desgaste o atascamiento. Para aumentar la presión de salida, se debe apretar el tornillo de regulación. Para disminuirla, aflojar al máximo y provocar una pequeña circulación a la salida de la reguladora. Cerrar el grifo y apretar entonces el tornillo hasta conseguir la presión deseada. La presión en la salida no rebasa nunca el valor marcado por el reglaje, aún cuando no haya circulación. La regulación se mantiene en presión estática. En el sentido contrario de circulación, la reguladora se comporta como una válvula de retención (cheque), bloqueando las contra presiones existentes en el circuito posterior a la válvula. Estas válvulas deberían ubicarse en el último tramo de salida del equipo de bombeo, permitiendo la fluctuación aguas arriba para la operación del control por hidroneumático pero controlando la presión aguas abajo para protección de toda la red de distribución. Para diámetros grandes, se hace un arreglo de dos válvulas en paralelo, usando una reguladora como piloto para mover la válvula principal. (Ver figura 23).


Figura.23. Válvula reguladora de presión pilotada para caudales altos.

ENSAYOS DE LABORATORIO. Se adelantaron pruebas a algunas válvulas a nivel de laboratorio, midiendo la presión aguas arriba de la válvula y luego aguas debajo de la misma. Los resultados fueron satisfactorios y se empezaron a aplicar en los edificios investigados, eliminando las fluctuaciones de presión y sus consecuencias. Sin embargo, las mediciones en sitio deben continuar para comprobar la eficiencia y durabilidad de las válvulas y sus componentes. En las figuras siguientes, se presentan los ensayos efectuados en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional.

Figura 24. Ensayo de una válvula reguladora de presión. Fluctuación en la zona no regulada.

COMPORTAMIENTO DE PRESIONES AGUAS ARRIBA DE LA VÁLVULA

ANTES DE LA VÁLVULA

P = 145 psi

T = 216 seg.

20 PSI

200 PSI

REGULADORA DE PRESIÓN


Figura 25. Ensayo de la misma válvula reguladora de presión de la figura anterior. Fluctuación en la zona regulada.

Otras soluciones para optimizar equipos de bombeo se encuentran en estudio bajo la dirección y coordinación del autor y su objetivo es actuar sobre el motor, mediante un variador electrónico de frecuencia que permita controlar las revoluciones por minuto del motor manteniendo la presión constante en la salida. Se espera obtener las ventajas de las válvulas reguladoras de presión y además disminuir el consumo de energía de los equipos.

COMPORTAMIENTO DE PRESIONES AGUAS ABAJO DE LA VALVULA

REGULADORA DE PRESIONDESPUES DE LA VALVULA

T = 216 seg.

P = 6.34 psi38.66 PSI

45 PSI

experimentación y análisis de redes hidráulicas en edificaciones

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