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sistemas hidroneum ticos c.
MANUAL DE PROCEDIMIENTO
PARA EL CALCULO Y SELECCION
DE SISTEMA DE BOMBEO
25 a os a su servicio
SISTEMAS HIDRONEUMATICOS C.A. DEDICA ESTA PUBLICACION A
TODOS LOS PROFESIONALES ,DOCENTES Y ESTUDIANTES DE
INGENIERIA Y ARQUITECTURA, QUE EN EL DESARROLLO DE SUS
ACTIVIDADES REQUIERAN DE UNA METODOLOGIA DE CALCULO
DE SISTEMAS DE BOMBEO PARA EDIFICACIONES.
ESPERAMOS QUE ESTE COMPENDIO SEA UNA HERRAMIENTA UTIL Y
DE FACIL MANEJO EN EL DESENVOLVIMIENTO DE SUS LABORES.
INTRODUCCION
El presente trabajo es el resultado de la inquietud de la empresa SISTEMAS HIDRONEUMATICOS C.A., de contar con un manual el cual recopilara la información de manera breve, concisa, clara y precisa de todo lo referente al Cálculo y Selección de Sistemas de Bombeo.
SISTEMAS HIDRONEUMATICOS, C.A. es fundada en 1970, la cual desde entonces ha sido el líder en proyectos, y cálculos y ventas de sistemas de bombeo y/o impulsión de cualquier líquido en Venezuela. Al celebrar sus 25 años de fundada nuestra empresa ha querido contribuir aún más al desarrollo del país, con la publicación de esta obra de consulta que abarca las diferentes áreas básicas, del bombeo de liquidos específicamente, el bombeo de agua. El manual se ha agrupado en 5 capítulos que descri- ben tanto el funcionamiento como el cálculo de los diferentes medios mecánicos utilizados para bom- bear agua.
El Capítulo I comprende lo referente a los cuatro métodos principales para la determinación de la dota- ción así como también los caudales de bombeo a las diferentes redes de distribución de agua.
El Capítulo II presenta de manera resumida las fórmulas y tablas para el cálculo de las presiones reque- ridas así como también las pérdidas de las mismas en redes.
El Capítulo III cubre a grosso modo el dimensionamiento de los diferentes sistemas de bombeo de aguas blancas, como lo son: el sistema de tanque a tanque, el hidroneumático y los sistemas de presión constante.
El Capítulo IV trata el dimensionamiento de los sistemas contra incendio según las normas COVENIN.
El Capítulo V y último comprende los sistemas de evacuación de aguas negras o servidas así como también las aguas de lluvia.
Este trabajo se realizó mediante la recolección de datos dispersos en catálogos, revistas, manuales, textos, etc., todos los cuales pertenecen a la empresa SISTEMAS HIDRONEUMATICOS C.A.
Quedamos a su entera disposición para suministrarles cualquier información adicional que pueda ser susceptible de su interés, por los teléfonos: (02) 93.22.77 - 93.77.77(Masters) o en nuestras oficinas principales en el Edificio Procaste, Avenida Luis de Camoens, Sótano, Zona Industrial de la Trinidad en la ciudad de Caracas.
A continuación se explican cada uno de ellos, según las normas oficiales. El anexo A contiene además todos los datos concernientes a cada uno de estos métodos.
1.4.1.- METODO DE LAS DOTACIONES
Este método puede ser usado en diversos tipos de edificaciones y se basa en la estimación de consumo en venticuatro (24) horas de la red, DOTACION, el resultado se multiplica por un factor K para estimar el Pico Máximo Probable que ocurrirá en la red.
Las tablas Nº 1 y 1.1 (Anexo A) muestran las dotaciones en litros por día (lpd) correspondientes a las diversas edificaciones.
La fórmula Nº 1 siguiente da el Caudal Medio de Consumo en litros por segundo (lps) y tomándose en cuenta el factor K, da el Caudal Máximo Probable.
Qd = DOTACION * K = LPS (1)
donde:
Dotación: Es la cantidad de lpd correspondiente, según la tabla Nº 1 (anexo A).
K: Es un factor que según proyecciones de variación en la demanda en redes, las cuales se representan en la gráfica Nº 1 (anexo A), se recomienda estimarse de 8 a 10 según:
Dotación
menor a 50.000 lpd K = 10 entre 50.001 y 100.000 lpd K = 9 más de 100.001 lpd K = 8
1.4.2.- METODO DEL NUMERO TOTAL DE PIEZAS SERVIDAS O METODO DE PEERLES
Este método esta basado en registros estadísticos de instalaciones similares, fundados a su vez en estimaciones del consumo aproximado en períodos de consumo máximo.
La tabla N° 2 (anexo A) da el factor K de consumo (en GPM * Piezas Servidas) en relación al número total de piezas servidas y del tipo de edificación.
Para usar esta tabla, debe tenerse el número exacto de todas las piezas sanitarias a las cuales servirá el sistema de suministro de agua. Con este número se entra a la tabla y se ubica el rango al que pertenece, el cual indicará según la edificación el valor de K. El resultado de multiplicar ambos valores indicará el caudal de bombeo en GPM, el cual lógicamente al ser dividido entre 60 lo indicará en lps. Matemáticamente lo anterior se expresa según la fórmula siguiente:
Qd = PZ * K = GPM (2)
1.4.3.- METODO DE HUNTER (NUMERO DE UNIDADES DE GASTOS)
La gaceta oficial indica este método para el cálculo de la demanda máxima probable, para el cálculo de Picos Máximos en redes de aguas negras y dimensionamiento de las tuberías de la red. Es de hacer notar que su uso se justifica sólo en esos casos y podrá ser usado, en cálculo de Picos probables de aguas blancas, sólo en el caso donde predominen piezas sanitarias de fluxómetro.
Para edificaciones de uso residencial, este método tiende a dar valores del 150% o mas de los obteni- dos por los dos métodos anteriores.
Según este método, a cada pieza sanitaria se le asigna, de acuerdo con su uso y tipo, un número, el cual es llamado NUMERO DE UNIDADES DE GASTOS. La tabla Nº 3 (Anexo A) muestra las unida- des de gastos asignadas a piezas sanitarias tanto de uso público como privado.
El número de unidades de gastos que corresponde a cada pieza o artefacto sanitario no especificado en la tabla Nº 3 (anexo A), se determinará en función del diámetro del orificio de alimentación correspondiente, según la tabla Nº 4 (anexo A).
1.4.3.1. - PROCEDIMIENTO A SEGUIR EN ESTE METODO:
1.4.3.1.1.- Elabore un diagrama de la tubería de distribución del sistema. 1.4.3.1.2.- Por cada tramo especifique el número y tipo de piezas a servir por el mismo. 1.4.3.1.3.- Multiplicar los totales de piezas sanitarias de igual tipo, por su correspondiente número de unidades de gastos, según la tabla Nº 3 (anexo A). 1.4.3.1.4.- Totalice todos estos productos parciales. 1.4.3.1.5.- Con el número total de unidades de gastos que sirve la red, se busca la capacidad del sistema (lps) en la tabla Nº 5 (anexo A).
DETERMINACION DE LAS CARGAS
2.1.- GENERALIDADES
Para poder entrar en el cálculo de cargas de una red de distribución, primero veremos algunas teorías y ecuaciones fundamentales de la hidráulica.
2.1.1.- ECUACION DE CONTINUIDAD.
La ecuación de continuidad es una consecuencia del PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA MASA, el cual expresa que:
Para un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier sección de un conducto por unidad de tiempo (figura N° 1) es constante y se calcula como sigue:
w1 * A1 * V1 = w2 * A2 * V2 = w3 * A3 * V3 (kg/seg) (4)
Para fluidos incompresibles se tiene que el peso específico w1 = w2 = w3, y por lo tanto, la ecuación se transforma en :
A1 * V1 = A2 * V2 = A3 * V3 (m3/seg) (5)
lo que nos da para tuberias circulares:
Q = A * V =I I * D2 * V (6)
donde:
Q = Caudal (m3/seg)
A = Area de la sección transversal del tubo (m2)
D = Diámetro interno del tubo (m)
V = Velocidad media de la corriente (m/seg).
CAPITULO II
2.1.2.- ECUACION GENERAL DE LA ENERGIA
2.1.2.1.- TEOREMA DE BERNOULLI
El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la energía al flujo de fluidos en tubería. La energía total en un punto cualquiera por encima de un plano horizontal arbitrario, fijado como referencia, es igual a la suma de la altura geométrica (Energía Potencial), la altura debida a la presión (Energia de Presión) y la altura debida a la velocidad (Energía Cinética), es decir:
H= Z+ P + V˝ w 2*g
donde:
H = Enegía total en un punto
Z = Energía Potencial
P = Energía de presión w
w = Peso Especifico del agua = 1000 kg/m≈
V˝ = Energía Cinética 2*g
g = Aceleración de la gravedad = 10 m/seg˝
Debido a que existen pérdidas y/o incrementos de energía, estos se deben incluir en la ecuación de Bernoulli. escribirse, considerando la pérdidas por razonamiento (hf) de la siguiente manera:
Z1+ P1 + V1˝ = Z2 + P2 + V2˝ + hf (8) w 2g w 2g
2.1.3.- TIPOS DE FLUJOS
Existen dos tipos de flujos dentro de una tubería:
Flujo Laminar: Es aquel en que sus particulas se deslizan unas sobre otras en forma de láminas
Por lo tanto, el balance de energía para dos puntos de fluido ( ver figura N° 2 ) puede
En el sistema métrico tenemos:
j % = 1.6595 * K * Q 1,852^ (10) 4,
reordenando nos queda:
j % = 131.455 * Q 1,852^ (10.1) C *
donde:
j%= % de pérdidas por fricción (m)
C = Constante de rugosidad (adimensional)
Q = Caudal pasante (lts/min)
= Diámetro interior del tubo (cm)
En el sistema inglés tenemos:
j % = 0.2083 * K * Q 1,852^ (10.1) 4,
donde:
j %= % de pérdida por fricción (en pies)
K = (100/C)
corrección por rugosidad
Q = Caudal pasante en (GPM)
= Diámetro interno (pulg)
el término independiente se ajusta a las unidades.
Esta fórmula da resultados bastantes exactos con agua a 60 °F (15.6°C), la cual a esa temperatura tiene una viscosidad cinemática en el orden de 1,1 centistokes (31.5 SSO), observe la tabla N° 8 (anexo B).
2,
Dado que la viscocidad del agua varía según la temperatura, pueden existir variaciones mensurables en la aplicación de las fórmulas, que van desde un incremento del 20% en temperaturas cercanas a 100 °C (visc = 0.3 csk). En temperaturas comprendidas entre 15 °C y 24 °C la fórmula tiene una exactitud por este concepto de ± 5 %.
El coeficiente de rugosidad "C" varía según el tipo de tubería a utilizar y los valores que se muestran en la tabla N°9 (anexo B) son los mas aceptados comúnmente en cálculo y diseño.
Determinado el valor porcentual de fricción, nos interesa además conocer el valor de la velocidad del agua, esto lo determinaremos despejando "V" de la ecuación N° 5, la cual nos queda realizando los cambios convenientes, como:
V = Q (l/min) = (m/seg) 4,7124*Ø ˝ (cm)
Ya que este valor nos debe servir para determinar si la tubería está dentro de un rango lógico de selección y que para la misma es siempre recomendable, que el mínimo caudal pasante no alcance valores inferiores a 0,60 m/seg, para evitar la sedimentación, ni que superen, los 3 m/seg, para evitar ruidos en la tubería.
En la tabla N°10 (anexo B), se presentan la pérdidas por fricción (en m, por cada 100 m de tubería), calculada según la fórmula N°10.1 utilizando un coeficiente de rugosidad C = 100.
2.2.2. - PERDIDAS DE PRESION EN VALVULAS Y CONEXIONES
Cuando un fluido se desplaza uniformemente por una tubería recta, larga y de diámetro constante, la configuración del flujo indicada por la distribución de la velocidad sobre el diámetro de la tubería adopta una forma característica. Cualquier obstáculo en la tubería cambia la dirección de la corriente en forma total o parcial, altera la configuración caraterística de flujo y ocaciona turbulencia, causando una pérdida de energía mayor de la que normalmente se produce en un flujo por una tubería recta.
Ya que las válvulas y accesorios en una línea de tubería alteran la configuración de flujo, producen una pérdida de presión adicional la cual se puede determinar por:
hf = K*V˝ (12) 2 * g
V˝ = Energía cinética o presión dinámica. 2*g
hr = Es la presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto mas desfavorable.
2.4.1. - CALCULO DE A.D.T.
La expresión de la ecuación la A.D.T. se ve modificada en función de la configuración de la red y del tipo de succión positiva o negativa (si el nivel del liquido se encuentra por encima o por debajo repectivamente del eje de la bomba) a la cual estará sometida la bomba. En las figuras N°9 y 10 se muestran ambos casos. En la medida de lo posible es conveniente colocar la bomba con succión positiva, ya que así se mantiene la misma llena de fluido, a la vez que se le disminuye el A.D.T., debido a la presión adicional agregada por la altura del líquido.
Para mayor comprensión en el cálculo del A.D.T. a continuación se presentan tres casos (entre otros conocidos), cada uno con sus respectivos análisis, figura y expresión de la ecuación del A.D.T.
CASO 1:
La figura N° 11 representa una succión negativa, donde se indica claramente los tramos de succión y descarga con sus respectivos accesorios. Se tendrá entonces en la tubería de succión una caída de presión por efecto del roce que se denotará hfs, una velocidad Vs, una altura de succión hs y un diámetro de succión Ds. En la descarga se tendrá un hfd, una velocidad de descarga Vd, una altura de descarga hd y un diámetro de descarga Dd al cual se considera como el inmediato superior al de la succión. Para este primer caso y considerando cada tramo por separado la ecuación para la Altura Dinámica Total queda de la siguiente forma:
ADT = (hd + hs) + hfs + hfd + Vd˝/2g + hrs + hrd (13.1)
en este caso al encontrarse ambos tanques abiertos a la atmósfera las presiones hrs y hrd se anulan.
CASO 2:
La figura N° 13 representa dos tanques, uno inferior y otro superior los cuales se encuentran sellados y poseen una presión residual hrs y hrd. En la ecuación de ADT la presión hrd tiene que sumarse mientras que la presión hrs debe restarse por ser energía adicional que va a tener el sistema y que va ayudar al trabajo de bombeo. La ecuación del ADT resultante es:
ADT = (hd + hs) + hfs + hfd + Vd˝/2g + hrs - hrd (13.2)
Si solamente se tiene el tanque superior a presión y el inferior abierto a la atmósfera , de la ecuación anterior se elimina hrs, si en cambio es el superior abierto a la atmósfera y el inferior cerrado y presurizado de la ecuación se elimina el término hrd.
CASO 3:
La figura N° 13 representa una succión positiva, la altura geométrica que la bomba debe vencer en este caso es menor, para este caso el ADT será:
ADT = (hd - hs) + hfs + hfd + Vd˝/2g (13.3)
Al encontrarse ambos tanques abiertos a la atmósfera, las presiones residuales hrs y hrd se eliminan. Si en cambio el tanque de descarga se mantiene con una determinada presión, a la ecuación anterior se le suma el valor de hrd y si además el tanque de succión se mantiene también presurizado, a la misma ecuación se le restará hrs.
de cuatro (4) horas, teniendo como base la presión de suministro, diámetro y recorrido de la aducción.
La tubería de bombeo entre un estanque bajo y el elevado deberá ser independiente de la tubería de distribución, calculándose el diámetro para que pueda llenar el estanque elevado en un máximo de dos (2) horas, previendo en esta que la velocidad esté compredida entre 0.60 y 3.00 m/seg.
Los diámetros de la tubería de impulsión de las bombas se determinarán en función del gasto de bom- beo, pudiendo seleccionarse de la tabla N°12 (anexo C).
Puede estimarse el diámetro de la tubería de succión, igual al diámetro inmediatamente superior al de la tubería de impulsión, indicada en la tabla N°12 (anexo C).
En la tubería de impulsión e inmediatamente después de la bomba, deberán instalarse una válvula de retención y una llave de compuerta.
En el caso de que la tubería de succión no trabaje bajo carga (succión negativa), deberá instalarse una válvula de pie en su extremo, para prevenir el descebado de las bombas.
La capacidad del sistema de bombeo deberá ser diseñado de manera tal, que permita el llenar el estan- que elevado en un tiempo no mayor de dos (2) horas.
Siendo la Altura Dinámica Total de bombeo ADT la resultante de la sumatoria de:
a.- Diferencia de cotas entre el sitio de colocación de la válvula de pie y la cota superior del agua en el tanque elevado. b.- Las fricciones ocurridas en la succión de la bomba, descarga de la misma y montante hasta el tanque elevado. c.- Presión residual a la descarga del tanque elevado (±2.00 a 4.00 m.).
Nota: La selección de los equipos de bombeo deberá hacerse en base a las curvas características de los mismos y de acuerdo a las condiciones del sistema de distribuición.
3.1.3.- DIMENSIONAMIENTO DE LAS BOMBAS Y MOTORES
La potencia de la bomba podrá calcularse por la fórmula siguiente:
HP = Q (lps)* H (metros) (14) 75* n (%)/
donde:
HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza.
Q = Capacidad de la bomba.
ADT = Carga total de la bomba.
n = Eficiencia de la bomba, que a los efectos del cálculo teórico se estima en 60%.
Los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener, según las normas oficiales vigentes, una potencia normal según las fórmulas siguientes:
HP(motor) = 1,3 * HP(bomba) para motores trifásicos (15)
ó
HP(motor) = 1,5 * HP(bomba) para motores monofásicos (16)
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, se produce la señal de parada de la bomba y el tanque queda en la capacidad de abastecer la red, cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos, se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente.
3.3.2.- COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO
El Sistema Hidroneumático deberá estar construido y dotado de los componentes que se indican a continuación:
a.- Un tanque de presión, el cual consta entre otros de un orificio de entrada y otro de salida para el agua (en este se debe mantener un sello de agua para evitar la entrada de aire en la red de distribución) y uno para la inyección de aire en caso de faltar el mismo.
b.- Un número de bombas acorde con las exigencias de la red (una o dos para viviendas unifamiliares y dos o más para edificaciones mayores).
c.- Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar el agua en el estanque bajo.
d.- Llaves de purga en las tuberías de drenaje.
e.- Válvula de retención en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al tanque hidroneumático.
f.- Conexiones flexibles para absorber las vibraciones.
g.- Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre éste y el sistema de distribución.
h.- Manómetro.
i.- Válvula de seguridad.
*j.- Dispositivo para control automático de la relación aire/agua.
k.- Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima, arranque aditivo de la bomba en turno y control del compresor.
*l.- Indicador exterior de los niveles en el tanque de presión, para la indicación visual de la relación aire- agua.
*m.- Tablero de potencia y control de los motores.
n.- Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático, con su correspondiente llave de paso.
o.- Compresor u otro mecanismo que reponga el aire perdido en el tanque hidroneumático.
*p.- Filtro para aire, en el compresor o equipo de inyección.
(*) Para los equipos instalados en viviendas unifamiliares y bifamiliares, los requerimientos señalados en los apartes h,j,k y n podrán suprimirse.
3.3.3 - CICLOS DE BOMBEO
Se denomina ciclos de bombeo al número de arranques de una bomba en una hora.
Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. 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. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia.
Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con mas de seis (6) arranques/hora puede "haber" un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo y excesivo consumo de energía eléctrica.
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 que el 50%, el tiempo de funcionamiento será mas largo; cuando la bomba se detenga, la demanda aumentada extraerá el agua útil del tanque mas rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será mas larga.
