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Sistemas Hidroneumáticos

Su nombre se debe a la combinación de aire comprimido y agua que se realiza en un tanque metálico presurizado, de tal manera, que dicho tanque aprovecha las características de elasticidad del aire, para poder abastecer el agua, que se almacena en la parte inferior del tanque, con la presión requerida para satisfacer las demandas de la red hidráulica con objeto, que la bomba no opere constantemente. Este sistema puede verse en la figura 1.

Figura 1

En un sistema hidroneumático, parte del agua es bombeada desde la fuente de abastecimiento de la misma hasta el tanque presurizado para su almacenamiento. El aire del tanque es comprimido conforme el agua ingresa al mismo; en tanto la presión en el tanque se incremento, la presión en la red de distribución también aumenta, puesto que está conectada al tanque. El agua almacenada en el tanque y la presión del mismo, son suficientes para permitir que los equipos de bombeo descansen ciertos períodos de tiempo y, aún en dicho descanso, se satisfagan las demandas de presión y de gasto; esto es, se conserva la energía evitando el uso continuo de los equipos de bombeo.

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

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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.

Cuando el equipo de bombeo opera, parte del agua es enviada a la red, y el excedente va al tanque hidroneumático, en el cual al subir el nivel del agua, vuelve a comprimir el aire hasta llegar a una presión máxima predeterminada, la cual acciona el interruptor de presión, desconectándolo y parando el equipo de bombeo.

Los componentes de un sistema hidroneumático son un tanque presurizado, equipos de bombeo, un elemento de suministro de aire (un compresor de aire o un supercargador o válvula de aspiración de aire), un sistema de control de arranque y paro de la bomba y del elemento suministrador de aire, alarmas y elementos de seguridad para aliviar presiones excesivas.

Todo sistema hidroneumático opera con dos presiones: Presión mínima: Es conocida también como presión manométrica y hace operar

el equipo de bombeo. Esta presión es la suma de los siguientes factores: la altura de succión y las pérdidas de energía en la tubería de succión de la bomba, las pérdidas de energía en la tubería hasta la descarga más alejada del hidroneumático y la presión mínima de operación requerida en la descarga más alejada.

Presión máxima: Es la presión máxima de operación de la red hidráulica y detiene el equipo de bombeo. Esta presión es igual a la presión manométrica más la presión diferencial; esta presión no debe exceder el valor máximo establecido por el fabricante para evitar daños al tanque presurizado. La presión diferencia¡ se calcula basándonos en el volumen de agua y aire más adecuado, para obtener la máxima extracción de agua posible, dejando siempre un nivel de agua no menor del 20% del tanque presurizado, llamado sello de agua, para poder mantener el aire comprimido siempre dentro de dicho tanque, sin que escape hacia la red de distribución.

Componentes de un sistema hidroneumático:

1. Tanque 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 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.

En términos generales, debemos considerar, que de la capacidad total del tanque hidroneumático, entre un 20% y un 30% de su capacidad deberá permanecer ocupada siempre con agua, con objeto de evitar el paso del aire hacia la red de distribución; aproximadamente, un 30% de su capacidad estará ocupada por el


http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/hidroneumaticos/paginas/CALCULO%20DE%20PRESIONES.htm

aire, que es comprimido, quedando, en consecuencia, entre un 40% y 50% de la capacidad del tanque, con agua aprovechable para suministrar a la red hidráulica, durante el período de tiempo durante el cual no opera el equipo de bombeo.

2. 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 considerada 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.

3. 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.

4. Sistemas de Control.- Los sistemas de control se utilizan para mantener relaciones adecuadas de aire-agua, presión y nivel de agua en el tanque presurizado. Controlan el arranque y paro de los equipos de bombeo y de los compresores de aire.

El compresor de aire es controlado por medio de una combinación de sensores de nivel y de presión de aire que arrancan el mismo, cuando el agua desciende a niveles bajos y se tiene presión insuficiente en la red de distribución. La bomba de llenado es controlada por un sensor que arranca la bomba cuando la presión de agua alcanza la presión mínima de operación; la bomba se detiene cuando la presión llega al valor máximo establecido.


5. Alarmas y Dispositivos de Seguridad.- Se recomienda la utilización de alarmas, para llamar la atención del personal que opera este tipo de sistema, en los siguientes casos: en el caso del agua, cuando la presión es excesiva o deficiente; en el caso del aire, cuando la presión es elevada o insuficiente.

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 tienen grandes dimensiones, debido a que el porcentaje de agua

utilizable, para suministrar a la red de distribución, es reducido. Requiere mayor espacio para su instalación.


Suministro de agua calienteEl confort de los edificios modernos requiere la instalación de sistemas de distribución de agua caliente, por lo que es importante conocer los principales aspectos relacionados con éstos. En este capítulo describiremos, en relación con el agua caliente, sus principales sistemas de alimentación y distribución, sus temperaturas de entrega, la estimación de las demandas, los diversos sistemas de calentamiento y el cálculo de la red de distribución.Los objetivos del diseño de un sistema de agua caliente son los siguientes:

Proveer las cantidades adecuadas de agua, a las temperaturas prescritas, a todos los muebles y equipos durante todo el tiempo.Debemos estimar de manera adecuada los requerimientos de agua caliente, así como la temperatura a la que deberá ser entregada; en la distribución del agua deben evitarse, hasta donde sea posible, recorridos muy largos a fin de permitir, de manera inmediata, la salida del agua caliente a la temperatura prescrita al utilizar los muebles sanitarios y, desde luego, poder suministrar el agua aún en las demandas pico.

Utilizar fuentes económicas de calor.Es de gran importancia considerar el tipo de calentador que se utilizará con el sistema, a fin de tomar en cuenta el tipo de combustible que se utilizará; en algunos casos, podría ser útil considerar la utilización de agua precalentada antes del paso de la misma hacia el calentador principal.

Utilizar sistemas de seguridad que permitan que el sistema de distribución de agua caliente trabaje de manera segura y confiable

Sistemas de Distribución de Agua CalienteDebemos evitar recorridos largos del agua caliente, a fin de reducir las pérdidas de calor que conlleva esta situación. En consecuencia, la gran mayoría de los sistemas de agua caliente, cuentan con tuberías de circulación del agua; esta circulación del agua se ve favorecida por la diferencia de temperaturas de la misma, la más alta que se presenta en el punto más cercano al calentador y, la más baja en el punto más alejado del mismo.Podemos mencionar cuatro tipos básicos de alimentación o distribución: directa, ascendente, descendente y mixta. Describiremos cada una de ellas.

1. Alimentación Directa.- El agua sale del calentador directamente hasta el sitio de consumo; no cuenta con grandes tuberías de recirculación del agua. Se recomienda para construcciones muy pequeñas, tales como casas unifamiliares, o aquellas en donde el recorrido del agua caliente es muy reducido.

2. Alimentación ascendente.- El agua sale del calentador e inmediatamente se distribuye en su ascenso, a todos los niveles y retorna por una tubería que parte inmediatamente debajo de la toma más elevada; esta tubería de retorno se conecta a otra tubería general de retorno, que lleva, nuevamente, toda el agua caliente hacia el calentador.En las partes más altas de las tuberías de distribución, o en los sitios donde se pueden presentar retornos indeseados del agua caliente debidos a las energías existentes, se instalan dispositivos de balanceo o distribución de flujo, mismos que tienen como objetivo principal canalizar el agua caliente hacia la tubería de recirculación.


Distribución ascendente de agua caliente

3. Alimentación Descendente.- El agua caliente, al salir del calentador, es conducida por una tubería hacia la parte superior del edificio, y en su descenso es distribuida hacia todos los muebles sanitarios del edificio. El agua que desciende es recolectada en una tubería ubicada en la parte inferior del edificio, y la conduce hacia el calentador.En la figura 2., mostramos un esquema de distribución del tipo mencionado.

Figura2


4. Alimentación Mixta.- Se combinan los dos tipos anteriores de alimentación: ascendente y descendente; en este tipo de alimentación, el agua caliente en su ascenso, y también en su descenso, alimenta los distintos muebles sanitarios y equipos. Cuando se utiliza este tipo de alimentación de agua, se recomienda suministrar, en su ascenso, agua a los muebles sanitarios y equipos que tienen requerimientos altos de temperatura, como son los de las cocinas y lavanderías y, en su descenso, distribuir agua a los muebles que tienen menores requerimientos de temperatura.A continuación presentamos los tipos de alimentación mixta en edificios con una sola zona de presión.

Distribución mixta de agua caliente. Se tiene un flujo ascendente-descendente de agua caliente


Temperaturas del Agua Caliente:

Para el agua caliente, una temperatura de 40ºC a la salida de los dispositivos sanitarios, se considera adecuada para satisfacer los requerimientos humanos en los casos de aseo personal y necesidades del hogar, por lo tanto, se ha aceptado como temperatura de la misma a la salida del calentador, 60ºC por la gran mayoría de los diseñadores debido a que en su recorrido, hacia los muebles y dispositivos sanitarios, se tienen pérdidas de calor.Sin embargo, en caso de uso del agua caliente, en sitios tales como lavanderías, lavado de trastes de cocina, usos en hospitales y clínicas o en procesos industriales, el agua podría ser requerida con una mayor temperatura; también se recomienda a fin de inhibir el crecimiento de bacterias, mantener temperaturas de 60ºC, o mayores.Actualmente, el uso de equipos de bombeo para realizar la recirculación del agua caliente en la red de distribución, no requiere de mantener diferenciales térmicos en la red de distribución, para generar los flujos por termosifón. En épocas pasadas, el diferencial térmico era primordial para lograr una operación eficiente del sistema de distribución de agua caliente.En términos generales, podemos considerar como temperaturas aceptables las siguientes:

Servicio doméstico o residencia 40ºC – 60ºC Servicio industrial o comercial 70ºC – 80ºC

A continuación, presentamos la tabla que muestra las temperaturas requeridas por diversos dispositivos.

USO DEL AGUA TEMPERATURA MÍNIMA DEL AGUA (ºC)

Lavado de manos 40Rasurado 45Duchas y tinas 43Lavandería comercial 82Lavandería residencial 60Lavaplatos residencial (cocina) 60

Estimación de la Demanda de Agua Caliente:

La demanda se entiende como el gasto, expresado en litros por segundo, que debe suministrar el sistema de distribución de agua caliente a los muebles y dispositivos sanitarios bajo condiciones de uso normal. Entenderemos por condiciones normales, aquellas en las que los muebles sanitarios operan satisfactoriamente y no tienen defectos en suministro de agua o temperaturas distintas a las prescritas.La demanda máxima en un sistema de abastecimiento de agua es el valor pico de la demanda o gasto; la estimación de la demanda máxima ya la hemos visto en apartados anteriores. El factor de demanda es la relación de la demanda máxima del sistema de calentamiento a la carga total conectada o al total de los requerimientos individuales de todos los dispositivos del sistema.


Tipo de edificio Máximo horario Máximo Diario Promedio diarioDormitorios:Dormitorios hombres 14.4 I/estudiante 83.4 I/estudiante 49.7 I/estudiante

Dormitorios mujeres 19.0 I/estudiante 100.4 I/estudiante 46.6 I/estudiante

Oficinas 1.5 I/persona 7.6 I/persona 3.8 I/personaRestaurantes:Comidas completas 5.7 I/comida 41.7 I/comida 9.1 I/comida/díaComidas rápidas 2.6 I/comida 22.7 I/comida 2.6 I/comida/díaApartamentos:20 apartamentos o menos

45.5 I/apartamento 303.2 I/apartamento 159.2 I/apartamento

50 37.9 I/apartamento 276.7 I/apartamento 151.6 I/apartamento75 32.2 I/apartamento 250.0 I/apartamento 144.0 I/apartamento100 26.5 I/apartamento 227.4 I/apartamento 140.2 I/apartamento200 o más 19.0 I/apartamento 195.0 I/apartamento 132.7 I/apartamentoEscuelas:Escuelas primarias 2.3 I/estudiante 5.7 I/estudiante 2.3 I/estudianteEscuelas secundarias ypreparatorias

3.8 I/estudiante 13.6 I/estudiante 6.8 I/estudiante

Sistemas de Calentamiento de Agua

Los principales combustibles utilizados en sistemas de calentamiento de agua son gas, combustóleo, diesel y electricidad. En ciertas áreas geográficas puede ser usado el carbón natural, la madera, etc., pero los equipos de calentamiento de tipo industrial requeridos para esos combustibles mencionados, no son fáciles de conseguir.La selección del tipo de combustible a utilizar depende de:

La disponibilidad. El costo. El tipo de calentador requerido. Las facilidades de servicio y de refacciones para el tipo de calentador utilizado. Requerimientos de espacio del calentador, así como del equipo accesorio del

mismo, tales como chimeneas, ventiladores, etc.

A continuación, mostraremos una clasificación de los sistemas de calentamiento: calentadores de calor directo y de calor indirecto; también describiremos algunos de los sistemas de calentamiento más utilizados, así como sus características básicas.

Calentadores de Calor Directo.- En un calentador de calor directo, la fuente de calor (gas, combustóleo, diesel o electricidad) está localizada donde el agua es calentada, en contraste con los calentadores de fuego indirecto, en donde el agua es calentada por medio de una fuente de calor remota y requieren de un intercambiador de calor.Este tipo de calentadores requiere suministro de aire a fin de lograr la combustión de forma adecuada, con excepción de los calentadores eléctricos.


Son de este tipo los calentadores de gas, los de combustóleo o diesel y los eléctricos.

Calentadores de Calor Indirecto.- Un calentador de calor indirecto es aquél en el cual el agua es calentada mediante una fuente de calor remota, que tiene como origen del mismo el equipo calentador. Usualmente, el agua a la que se le elevara su temperatura, es llevada hacia un intercambiador de calor por medio de un sistema separado de suministro y retorno.

Un elemento indispensable en este tipo de sistema es el intercambiador de calor, que es un dispositivo que transfiere el calor de un líquido a otro. Deberá tenerse especial cuidado en evitar que las paredes del intercambiador de calor no sean perforadas por la erosión o corrosión, ya que tales perforaciones podrían establecer un flujo entre el fluido que conduce éste y el agua que está siendo calentada, dando como resultado una posible contaminación del suministro de agua.Los calentadores indirectos podemos clasificarlos en:

1. Calentadores de almacenamiento.2. Calentadores instantáneos.3. Calentadores semi-instantáneos.


Cálculo de las Capacidades de Calentamiento o de Recuperación y de Almacenamiento de Calentadores:

En esta sección presentaremos la metodología para realizar los cálculos de sistemas de calentamiento con tanque de almacenamiento y de calentadores instantáneos y definiremos el concepto de capacidad de recuperación o de calentamiento.Definiremos como "capacidad de calentamiento" o "capacidad de recuperación", la capacidad que tiene un calentador para elevar la temperatura de un número dado de litros por hora, de una temperatura inicial a otra final. La temperatura inicial generalmente se considera de 4ºC a 60ºC El valor se expresa en kilowatts por hora.El valor de la capacidad de recuperación, no incluye las pérdidas de calor en el sistema de agua caliente, por ejemplo, las pérdidas en las tuberías de distribución y en los tanques de almacenamiento. La experiencia ha demostrado que las pérdidas en las tuberías de distribución, aún en instalaciones grandes, incremento en un pequeño porcentaje la capacidad de recuperación del calentador.El tanque de almacenamiento de un calentador es el depósito en el que, como su nombre lo indica, se almacena el agua que ha de calentarse y distribuirse en toda la red del sistema de agua caliente.La capacidad utilizable del tanque de almacenamiento varía entre el 60% y el 80% de la capacidad total, ya que el agua caliente es drenada del mismo, en los períodos de demanda pico, más rápidamente que la capacidad de calentamiento. Además, como ingresa agua fría al tanque después de períodos de gran demanda, el agua que permanece en el mismo podría bajar su temperatura como resultado de la mezcla. En vista de todo lo anterior, se considera un valor aceptable de la capacidad utilizable del tanque de almacenamiento un 70%.

Tuberías de Retorno de Agua Caliente:Los diámetros de las tuberías de recirculación del agua caliente no deben ser menores de 3/4”, y si quedan alejadas del calentador deben tener al menos 1 " de diámetro para realizar más fácilmente la circulación.Si se desea determinar de manera más precisa el gasto de recirculación en las tuberías de retorno de agua caliente, se puede calcular la capacidad del equipo de bombeo que se utilizará para tal fin. Con este dato se determinarán los diámetros mínimos de retorno.

Aislamiento de Tuberías:Puesto que materiales tales como el fierro fundido, el hierro, el cobre y, en general, cualquier metal es conductor del calor, se pierde una cantidad considerable del mismo a través del flujo del agua en las paredes de las tuberías, por lo que su temperatura desciende. A fin de evitar este tipo de pérdidas surge la necesidad de utilizar aislamientos; otros objetivos de la utilización de aislamientos son: protección del personal encargado del mantenimiento, control de la temperatura, reducción de ruidos y control de la condensación, para el caso de tuberías de agua refrigerada.Los principales factores que influyen en la selección del tipo de aislamiento son los reglamentos de construcción, la temperatura de operación, las condiciones de temperatura y humedad del ambiente, el costo-efectividad del aislamiento y la disponibilidad de espacio.Todos los aislantes usan materiales que contienen diminutas células de aires como cubierta para reducir las pérdidas de calor a un mínimo; al elegir el material aislante debe compararse el costo del mismo con la reducción de las pérdidas de calor.


Uno de los materiales más utilizado como aislante es la fibra de vidrio; ésta debe rodear a las tuberías y terminar cubierta con una envoltura protectora de lona. A continuación, la tabla 2., muestra los espesores mínimos de este aislante en función del diámetro de la tubería y la temperatura de uso.En los casos de tuberías que conducen agua refrigerada, el aislamiento es utilizado para evitar el humedecimiento provocado por la condensación del vapor de agua más caliente que las rodea; también se aíslan para evitar que se calienten en contacto con el aire exterior que, atravesando las paredes, eleva la temperatura del agua que circula por el interior.

TABLA 2Sistema Temperatura del agua

en ºCEspesor del aislamiento

en pulgadas para tuberías de diámetro nominal

Hasta 2 1/2”

De 3” a 6”

Más de 8”

Doméstico de aguacaliente

35 1/2” 1/2” 1”

45 1/2” 1/2” 1”

50 1/2” 1” 1”

60 1” 1” 1”Espesores mínimos para aislamiento de tuberías (Se considera un aislante con conductividad térmica de 0.22 a 0.25 BTU·pulg/h·pie2·oF, tal como la fibra de

vidrio, y temperatura medía ambiente de 24oC)


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