INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO CALCULO Y SELECCIÓN DEL TANQUE HIDRONEUMÁTICO PARA EL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE AL HOSPITAL CUNDALLINI PARA OBENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO PRESENTAN: GÓMEZ MUÑOZ MOISÉS HERRERA JIMÉNEZ ARIANA MAGALI RESENDIZ GONZÁLEZ MANUEL ASESORES: ING. FELIPE DE JESUS JUAREZ GÓMEZ ING. J. SANTANA VILLARREAL REYES MEXICO D. F. 2008

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3 Agradecimientos A mis padres por todo el amor y la mejor educación que me han dado. A mis hermanos Tania, Damián y Darinka por el apoyo moral y científico. A el amor de mi vida por su comprehension y ayuda en todo momento. A mis compañeros de tesis con quienes pase mis mejores momentos de discusión apasionada. Ing. Ariana Magali Herrera Jiménez. A mi madre Lorenza Muñoz Herrera por su gran apoyo en mi vida y formación académica. Ing. Moisés Gómez Muñoz. A mis padres, que con mucho esfuerzo lograron mi formación académica y me apoyaron en los aspectos más importantes de mi vida. A mis hermanos que con sus críticas y aportaciones me hicieron valorar la gran familia que tengo. A mi esposa Ariana y mi hijo Balam, Que con su gran amor y confianza me alentaron. Ing. Manuel Reséndiz González.

4 INDICE DE CONTENIDO CAPITULO I GENERALIDADES Introducción Reglamentaciones Reglamento del IMSS Palabras Clave Hospital Cundallini CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS Ecuación de Continuidad Ecuación general de la Energía Perdidas de presión en válvulas y conexiones Presión Residual Carga o altura Dinámica Total de Bombeo (ADT) Calculo de ADT Caso I Caso II Caso III 2.5 Perdida de carga Perdida de carga en conducto rectilíneo Perdidas de carga localizadas Bombas Clasificación de Bombas Medios de proporción de presión Tanque elevado Sistemas de bombeo tanque a tanque Consideraciones generales para el calculo Calculo de las bombas y motores Bomba auxiliar

5 2.7.4 Bombeo programado Sistemas de presión constante Sistema Hidroneumático Principio de funcionamiento Componentes del sistema hidroneumático Ciclos de bombeo Presiones de operación del sistema hidroneumático Presión mínima Presión diferencial y máxima Dimensionamiento de bombas y motores Potencia requerida por la bomba y motor Dimensionamiento del tanque a presión Calculo del compresor Sistemas hidroneumáticos de uso domestico CAPITULO III DISEÑO Y DISTRIBUCIÓN DE LA RED HIDRÁULICA Red de distribución Hidráulica.l Instalación Hidráulica Materiales propuestos Tuberia de cobre Tubería de fierro galvanizado Conexiones Conexiones de cobre Válvulas Simbología Código de colores Muebles sanitarios elegidos Orden progresivo de los planos del hospital Trazo de las redes generales Acomodo de equipos en casa de maquinas Altura mínima Isométrico del hospital Planta de conjunto.60

6 3.6.3 Vista superior Sótano Planta baja Planta de administración Corte longitudinal Datos técnicos del hospital Cundallini Área Altura entre pisos Superficie Numero de muebles 65 CAPITULO IV CALCULOS Y COSTOS Calculo de la Cisterna Calculo del gasto y diámetro de la tubería Método de las unidades mueble Método de suministro de agua por presión Método de Hazen-Williams Calculo de la bomba Calculo de la ADT Selección de la Bomba Calculo del Tanque Hidroneumático Ciclos de Bombeo Presión Mínima Volumen útil Porcentaje de Volumen útil Volumen Total Cotización del Proyecto Cotización de tubería Cotización de accesorios Cotización de Bomba Cotización del Tanque Hidroneumático Cotización de mano de obra...98 Salarios Conteo y cotización de empleados Cotización Total..102 CONCLUSION..103 REFERENCIAS

7 CAPITULO I GENERALIDADES. Página 1

8 1.1 INTRODUCCION Ingeniería escribió Thomas Tredgold, es el arte de dirigir las vastas fuentes de poder de la naturaleza para el uso y la conveniencia del hombre. Por supuesto que es importante saber que esta definición de la ingeniería tiene más de 60 años -hoy en día muy poca gente utiliza las palabras ingeniería y arte en una misma oración-. Sin embargo muchos problemas no son manejados de manera matemática incluso algunos no tiene razón matemática, aunque por lo general se han forzado a probarse. Los problemas en los que interviene el diseño son problemas en los que la rigidez de la ciencia y la creatividad intervienen. En la actualidad nuestra forma de vida a creado infinidad de necesidades, una de ellas a existido desde hace miles de años esta es la del acceso al agua potable. Nuestra manera de consumir el agua potable ha repercutido en la forma en como nuestro ingenio logra este objetivo, de esta forma se han inventado nuevos dispositivos para que se tenga acceso y se cumpla con el suministro de agua potable. En esta tesis proponemos una alternativa a un problema que nos muestra como nuestras comodidades y necesidades han evolucionado. Un hospital común, nos proporciona alojamiento en casos en que nuestra vida corra algún tipo de peligro, por esta razón se debe tener mucho cuidado al realizar, hablando de manera más ingenieril, un cálculo adecuado de cuales son las necesidades principales que se deben cubrir. Para nuestro punto de vista, la más importante de las necesidades, es el acceso al agua potable. En un hospital de dimensiones moderadas se tiene acceso al agua potable por medio de redes hidráulicas que se mantienen al margen de la presión que proporciona la bomba como mecanismo de activación de movimiento del fluido. Actualmente los complejos hospitalarios son inmensos comparados con algunas clínicas que se manejaban a principios del siglo XX, los cuales a penas si tenían una sala de atención medica continua, que en realidad era sala de operaciones, sanatorio y en muchos casos morgue. Página 2

9 Un hospital actual ya cuenta con departamentos de especialización, lo cual deja ver que la capacidad que esta dispuesta a dar la red hidráulica de estos complejos, nos permite la adecuada distribución del agua potable a todos los muebles de la instalación hidráulica, como son WC (water closet), mingitorios, lavabos etc. Y de esta manera tratar de usar el tanque hidroneumático como una benéfica alternativa. Cabe destacar que la red de distribución que se ha diseñado comprende la distribución de agua potable. Si se logra una buena elección de tanque hacia un proyecto viable la combinación de estos puede ser predecible, ahorro en todos los aspectos, pero si no se realiza una buena prospectiva obviamente el resultado no será satisfactorio y el objetivo no se cumplirá. Así también indicar solo detalles generales acerca del hospital Cundallini. Sin dejar a un lado algunas especificaciones técnicas basadas en la norma general del IMSS de acuerdo con la ley de construcciones y reglamentación sanitaria y distribución de agua en hospitales y edificios gubernamentales. Con la finalidad de establecer los criterios institucionales que sirvan para la elaboración de los proyectos de las Instalaciones hidráulica, sanitaria y especiales el IMSS ha elaborado las Normas de Diseño de Ingeniería. Página 3

10 1.2 REGLAMENTACIONES 1.2.1REGLAMENTO DEL IMSS OBJETIVO Establecer a los proyectistas, en la especialidad de instalaciones hidráulicas, sanitarias y especiales, los requisitos y obligaciones con los que debe cumplir para poder ejecutar diseños de estas disciplinas, así como la identificación y simbologías a utilizarse en la presentación de los planos que conformarán el diseño de cualquier unidad que construya el IMSS. CAMPO DE APLICACIÓN En todos los inmuebles que construye, remodela o amplía el Instituto Mexicano del Seguro Social. NORMAS DE DISEÑO La elaboración de los proyectos debe apegarse a lo señalado en la Norma de Diseño de Ingeniería Hidráulica, Sanitaria y Especiales. En caso de que en un proyecto se presente alguna discrepancia con los Reglamentos de Construcciones e Instalaciones vigentes, tanto en el Distrito Federal como en los Estados de la República, estos reglamentos tendrán prioridad para la solución de la discrepancia, pero se requerirá de la aprobación del IMSS. REQUISITOS Y OBLIGACIONES DEL PROYECTISTA PREPARACIÓN TÉCNICA Los proyectistas de las instalaciones hidráulicas, sanitarias y especiales deben cumplir con los requisitos publicados en el Padrón General del IMSS, ser TITULADOS y tener una capacidad profesional técnicamente reconocida como ingeniero mecánico, ingeniero mecánico electricista, ingeniero civil, ingeniero arquitecto o arquitecto especializado en estas instalaciones. CERTIFICACIÓN DEL DISEÑO Los diseños elaborados internamente o fuera del IMSS deben estar avalados por la firma del especialista responsable, consignando el nombre completo, cédula profesional y la razón social de la empresa responsable. Página 4

11 AJUSTES DEL PROYECTO Los proyectistas están obligados a realizar los ajustes necesarios al proyecto correspondiente como resultado de las revisiones realizadas en la sección correspondiente, en base a la norma vigente. Estos ajustes deberán presentarse sobre una corrida previa del proyecto realizado, en el cual el revisor institucional firmará para su autorización de entrega en planos definitivos. Los proyectos son aceptados cuando se haya cumplido con los requisitos y condiciones del párrafo anterior. OBTENCIÓN DE LA CÉDULA DE INVESTIGACIÓN DE SERVICIOS Antes de iniciar cualquier proyecto, el proyectista debe recabar la Cédula de investigación de Servicios, que es el documento oficial que proporciona el IMSS, el cual debe contener los datos concernientes a los servicios de la localidad y del predio en el que se pretende construir determinada Unidad, como son: tipo y lugar de la fuente de abastecimiento de agua, tipo de alcantarillado y lugar probable de conexión de la descarga del efluente de aguas negras, pluviales o combinadas, combustibles disponibles, etc. IDENTIFICACIÓN DE LOS PLANOS Los planos se identifican por medio del cuadro (sello) de identificación en el cual aparecen datos de la obra, datos del proyecto y emblema del IMSS. Además, inmediatamente arriba del cuadro de identificación, se deberá anotar la leyenda "INSTALACIÓN HIDRÁULICA", "INSTALACIÓN SANITARIA", "INSTALACIÓN DE GASES MEDICINALES" o "INSTALACIÓN DE GAS", según sea la especialidad de que se trate. DETERMINACIÓN DE LA INSTALACIÓN PROYECTADA Las dos literales del primer grupo indican la instalación proyectada y se usarán las siguientes: IH Para las instalaciones hidráulicas (agua fría, agua caliente, retorno de agua caliente, protección contra incendio, vapor(es) y retorno(s) de condensados). IS Para las instalaciones sanitarias (aguas negras, aguas claras, ventilaciones y aguas pluviales). IM Para las instalaciones de gases medicinales (oxígeno, óxido nitroso, aire comprimido y succión). IG Para las instalaciones de gas (gas L.P. o gas natural). ICI Para proyectos específicos de protección contra incendio cuando el I.M.S.S. lo solicite. Página 5

12 PLANTA DE CONJUNTO INSTALACIONES HIDRÁULICAS Los planos de las redes exteriores llevarán las siglas IH RE y se numerarán en orden progresivo; por ejemplo: IH RE O1, IH RE O2, etc. En caso de que se tengan planos que muestren exclusivamente la red de riego, éstos llevarán las siglas IH RR y también se numerarán en orden progresivo. NORMAS DE INSTALACIONES SANITARIAS, HIDRÁULICAS Y ESPECIALES ND-01-IMSS-HSE-1997 Tubería tipo M Se fabrica para ser usada en instalaciones hidráulicas de agua fría y caliente para casas habitación y edificios, en general en donde las presiones de servicio sean bajas. * Las de 64 mm de diámetro o menores serán de cobre rígido tipo "M". * Las de 75 mm de diámetro o mayores serán de acero sin costura, con extremos lisos para soldar, cédula 40. Característica Temple Color de identificación Grabado (bajo relieve) Longitud del tramo Tubería Tipo M Rígido Rojo Sí 6.10 m El tubo de cobre tipo M deberá cumplir con la norma: DGN-B Y DGN-E Para las conexiones: DGN-B , ASTM-B30 Y ANSIB-16,18 Página 6

13 1.3 PALABRAS CLAVE Es imprescindible dejar de lado algunos términos y conceptos fundamentales, los cuales serán de gran ayuda, ya que durante el estudio de esta tesis, el lector que este interesado en este documento, pero que encuentre algunos términos ajenos a su conocimiento, encontramos practico realizar la introducción a estos conceptos, que se definirán de manera clara y sencilla, sin más objetivo que resaltar estos para no causar confusiones. FLUIDO Gas o líquido que por cohesión de sus moléculas se mantienen unidas y toman o adoptan la forma del recipiente que los contiene. FLUJO - Es el movimiento de las cosas liquidas cuando corre un liquido. BOMBA Es una maquina que transporta un liquido. ADT Por sus iníciales Altura Dinámica Total HIDRONEUMATICO - Sistema que utiliza dos tipos de fluidos gas y líquido. PRESION Refiere la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo al oprimir sobre una superficie o área. POTENCIA - Coeficiente entre el trabajo realizado por una maquina y el tiempo que ha tardado en hacerlo. HP - Por sus siglas en inglés Horse Power GASTO - Cantidad de fluido que pasa por un conducto en una unidad de tiempo. RENDIMIENTO - Cociente entre el trabajo realizado por una maquina y la energía que se ha utilizado para su funcionamiento. COMPRESOR Mecanismo utilizado para reducir el volumen de un fluido, en especial aire. Página 7

14 1.4 HOSPITAL CUNDALLINI Esta tesis comienza a raíz de la muestra de planos que se encontraban rezagados en espera de ser aprobados para comenzar la construcción de este hospital alrededor del año 2006, de esa fecha hasta principios del 2007 comenzamos a realizar la selección de pisos y la revisión de estos mismos para comenzar a establecer las dimensiones y propuestas para colocar la red que distribuiría agua potable al hospital Cundallini. Este hospital cuenta con dos plantas y un sótano. En la planta de sotana se encuentra ubicado el cuarto de maquinas el cual por razones obvias tendrá la propuesta seleccionada como medio de proporciona de presión para llevar hasta el último mueble sanitario (tal y como lo marca nuestro objetivo) el agua potable con la presión adecuada. También tendrá elementos de importancia como la bomba seleccionada y compresora, cabe resaltar que la instalación hidráulica comenzara desde esta parte del hospital, el sótano. En el sótano se encuentra el cuarto de lavado por lo que la instalación regaderas para los empleados por lo que también se encuentra en este conteo. En la primera planta se tendrá lo que llamaríamos el cuerpo del hospital y la más importante, ya que aquí se encuentra la sala de atención médica continua, cirugía y recuperación, estas salas con sus respectivos cuartos sanitarios. En la planta consecutiva se realizan todos los procesos administrativos en la cual solo están ubicados algunos sanitarios. En un principio el hospital Cundallini se había propuesto como un hospital de especialidades, sin embargo dada la causa y necesidad de tener acceso de manera inmediata a una unidad hospitalaria que contara con los elementos fundamentales para que la atención fuera de lo más precisa y rápida posible, se opto por diseñar un hospital que contara con las necesidades más básicas posibles para que se lograra tener acceso a un hospital de especialización después de ser valorado en esta unidad hospitalaria. De esta manera presentamos algunos datos que esperamos sirvan de antecedente al proseguir con el estudio de esta tesis. Datos como son área que comprende el hospital, superficie, altura entre pisos etc. ÁREA: 23,400 m² ALTURA ENTRE PISOS: 3.5 m. SUPERFICIE: m² Página 8

15 CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS. Página 9

16 2.1 ECUACION DE CONTINUIDAD. La ecuación de continuidad es una consecuencia del Principio de conservación 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 es constante y se calcula como sigue: w 1 * A 1 * V 1 = w 2 * A 2 * V 2 = w 3 * A 3 * V 3 (kg/seg) Para fluidos incompresibles se tiene que el peso especifico w 1 = w 2 = w 3, y por lo tanto, la ecuación se transforma en: Lo que nos da para tuberías circulares: Donde: Q = Caudal (m 3 /seg). A 1 * V 1 = A 2 * V 2 = A 3 * V 3 (m 3 /seg) Q = A * V =1/4 π * D 2 * V A = Área de la sección transversal del tubo (m 2 ). D = Diámetro interno del tubo (m). V = Velocidad media de la corriente (m/seg). Página 10

17 2.2 ECUACION GENERAL DE LA ENERGIA 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 (Energía de Presión) y la altura debida a la velocidad (Energía Cinética), es decir: H = Z + P w 2 V + 2g Donde: H = Energía total en un punto Z = Energía Potencial P/w = Energía de presión W = Peso Especifico del agua = 1000 Kg./m 3 V²/2g = Energía Cinética g = Aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg² Debido a que existen pérdidas y/o incrementos de energía, estos se deben incluir en la ecuación de Bernoulli, por lo tanto debe escribirse, considerando las pérdidas por razonamiento (hf) de la siguiente manera: Por lo tanto, el balance de energía para dos puntos de fluido puede: 2 2 P1 V1 P2 V2 Z = Z hf w 2g w 2g Página 11

18 2.3 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 característica de flujo y ocasiona turbulencia, causando una perdida 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: 2 Donde: hf = Caída de presión (m) hf = K V 2g K = Coeficiente de resistencia según el tipo especifico de válvula o conexión. Los diferentes valores del coeficiente de resistencia (K) para los distintos diámetros de válvulas y conexiones se presentan en la tabla No.11 (anexo B), así como también en las figuras desde la 3 hasta la 8. En aquellas edificaciones consideradas como comunes, en las cuales se tienen 1 a 2 montantes, las pérdidas por fricción podrán ser consideradas como el 10 % de la altura del edificio más 5 a 7metros para cubrir las pérdidas en la tubería horizontal al final del tramo. 2.4 PRESION RESIDUAL La presión residual, es aquella presión óptima, la cual debe vencer el sistema de bombeo para poder mandar el agua hasta un punto deseado, el cual es considerado hidráulicamente como el más desfavorable CARGA O ALTURA DINAMICA TOTAL DE BOMBEO (A.D.T.) La Altura Dinámica Total de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá que vencer un liquido impulsado por una maquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado como la toma mas desfavorable. Página 12

19 La expresión para el cálculo de A.D.T. proviene de la ecuación de BERNOULLI y es como sigue: Donde: 2 V ADT= h+ hf + + hr 2g h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido. hf = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como en accesorios) que sufre el fluido entre el nivel de succión y el de descarga. V²/2g= Energía dinámica o cinética. hr = Es la presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto mas desfavorable 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 líquido se encuentra por encima o por debajo respectivamente del eje de la bomba) a la cual debe estar sometida la bomba. 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. Página 13

20 CASO 1: La siguiente figura 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 denota 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: 2 V ADT = ( hd + hs ) + hfs+ hfd + + hrs+ hrd 2g En este caso al encontrarse ambos tanques abiertos a la atmósfera las presiones hrs y hrd se anulan. Página 14

21 CASO 2: En la figura se 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: 2 ADT= ( h d V + hs ) + hfs+ hfd+ + hrs hrd 2g 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 termino hrd. Página 15

22 CASO 3: En la figura se representa una succión positiva, la altura geométrica que la bomba debe vencer en este caso es menor, para este caso el ADT será: ADT = ( h d h s ) + hfs + hfd + 2 V 2 g 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 restara hrs. Página 16

23 2.5 PÉRDIDA DE CARGA La perdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debida a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene. Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc PÉRDIDA DE CARGA EN CONDUCTO RECTILÍNEO Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es constante, y por lo tanto la velocidad también es constante, el Principio de Bernoulli, entre dos puntos puede escribirse de la siguiente forma: y 1 + P 1 ρg = y 2 + P 2 ρg +Σλ Donde: g= constante gravitatoria; y 1 = altura geométrica en la dirección de la gravedad en la sección i= 1 ó 2; P= presión a lo largo de la línea de corriente; ρ= densidad del fluido; Σ λ = perdida de carga; Σ λ = J* L Siendo L la distancia entre las secciones 1 y 2; y, J el gradiente o pendiente piezométrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material, y es función del radio hidráulico y de la rugosidad de las paredes y de la velocidad media del agua. Página 17

24 2.5.2 PÉRDIDAS DE CARGA LOCALIZADAS Las pérdidas de carga localizada o accidental se expresan como una fracción o un múltiplo de la llamada "altura de velocidad" de la forma: V h v = K 2 2 g Donde: h = pérdida de carga localizada; v V= velocidad media del agua, antes o después del punto singular, conforme el vaso; K= Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular Para algunos accesorios tenemos la tabla siguiente: Tipo de singularidad K Válvula de compuerta totalmente abierta 0,2 Válvula de compuerta mitad abierta 5,6 Curva de 90º 1,0 Curva de 45º 0,4 Válvula de pie 2,5 Emboque (entrada en una tubería) 0,5 Salida de una tubería 1,0 Ensanchamiento brusco (1-(D 1 /D 2 ) 2 ) 2 Reducción brusca de sección (Contracción) 0,5(1-(D 1 /D 2 ) 2 ) 2 Página 18

25 2.6 BOMBAS. Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformará la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de fluidos a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de fluido) CLASIFICACION DE BOMBAS Página 19

26 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un émbolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen de succión y disminuye el volumen de impulsión, por eso a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas. Fig. 1 Bomba de Desplazamiento Positivo. Página 20

27 BOMBAS RECIPROCANTES. Llamadas también alternativas, en estas máquinas, el elemento que proporciona la energía al fluido lo hace en forma lineal y alternativa. BOMBAS ROTATORIAS. Llamadas también rotoestáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio, y son diferentes a las rotodinámicas. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga. Las bombas en general se clasifican en tres tipos principales: De émbolo alternativo. De émbolo rotativo. Rotodinámicas. Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las fugas independientemente de la altura de bombeo). El tercer tipo debe su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete, que comunica velocidad al líquido y genera presión. La carcaza exterior, el eje y el motor completan la unidad de bombeo. En su forma usual, la bomba de émbolo alternativo consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un cilindro. Un adecuado juego de válvulas permite que el líquido sea aspirado en una embolada y lanzado a la turbina de impulsión en la siguiente. En consecuencia, el caudal será intermitente a menos que se instalen recipientes de aire o un número suficiente de cilindros para uniformar el flujo. Aunque las bombas de émbolo alternativo han sido separadas en la mayoría de los campos de aplicación por las bombas rotodinámicas, mucho más adaptables, todavía se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales especiales. Página 21

28 Las bombas de émbolo rotativo generan presión por medio de engranajes o rotores muy ajustados que impulsan periféricamente al líquido dentro de la carcaza cerrada. El caudal es uniforme y no hay válvulas. Este tipo de bombas es eminentemente adecuado para pequeños caudales (menores de 1 pie 3 /s y el líquido viscoso). La bomba rotodinámica es capaz de satisfacer la mayoría de las necesidades de la ingeniería y su uso está muy extendido. Su campo de utilización abarca desde abastecimientos públicos de agua, drenajes y regadíos, hasta transporte de hormigón o pulpas. BOMBAS CENTRIFUGAS. Son aquellas en que el fluido ingresa a ésta por el eje y sale siguiendo una trayectoria periférica por la tangente. a. Centrífugas. Fig. 2 Bomba centrifuga Son el tipo más corriente de bombas dinámicas, y se denomina así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Pueden estar proyectadas para impulsar caudales tan pequeños como 1 gal/min o tan grandes como gal/min, mientras que la cota generada puede variar desde algunos pies hasta 400. El rendimiento de las de mayor tamaño puede llegar al 90%. El rodete consiste en cierto número de álabes curvados en dirección contraria al movimiento y colocados entre dos discos metálicos. El agua entra por el centro u ojo del rodete y es arrastrada por los álabes y lanzada en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética. A la salida, el movimiento del fluido tiene componentes radial y transversal. Página 22

29 Para que no haya una pérdida notable de energía, y por tanto de rendimiento, es esencial transformar en la mayor medida posible la considerable cota cinemática a la salida del rodete en la más útil cota de presión. Normalmente, esto se consigue construyendo la carcaza en forma de espiral, con lo que la sección del flujo en la periferia del rodete va aumentando gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiración, que es equivalente a dos rodetes de simple aspiración ensamblados dorso con dorso; esta disposición permite doblar la capacidad sin aumentar el diámetro del rodete. Es más cara de fabricar, pero tiene la ventaja adicional de solucionar el problema del empuje axial. En ambos casos, las superficies de guía están cuidadosamente pulimentadas para minimizar las pérdidas por rozamiento. El montaje es generalmente horizontal, ya que así se facilita el acceso para el entretenimiento. Sin embargo, debido a la limitación del espacio, algunas unidades de gran tamaño se montan verticalmente. Las proporciones de los rodetes varían dentro de un campo muy amplio, lo que permite hacer frente a una dilatada gama de condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, los líquidos con sólidos en suspensión (aguas residuales) pueden ser bombeados siempre que los conductos sean suficientemente amplios. Inevitablemente habrá alguna disminución de rendimiento. Para que la bomba centrífuga esté en disposición de funcionar satisfactoriamente, tanto la tubería de aspiración como la bomba misma, han de estar llenas de agua. Si la bomba se encuentra a un nivel inferior a la del agua del pozo de aspiración, siempre se cumplirá esta condición, pero en los demás casos hay que expulsar el aire de la tubería de aspiración y de la bomba y reemplazarlo por agua; esta operación se denomina cebado. El mero giro del rodete, aún a alta velocidad, resulta completamente insuficiente para efectuar el cebado y sólo se conseguirá recalentar los cojinetes. Página 23

30 Los dos métodos principales de cebado exigen una válvula de retención en la proximidad de la base del tubo de aspiración, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vacío. En el primer caso, se hace entrar el agua de la tubería de impulsión o de cualquier otra procedencia, en el cuerpo de bomba y el aire es expulsado por una llave de purga. Se ha desarrollado una bomba centrífuga, la cual fue concebida, teniendo como objetivos un rendimiento de trabajo que sea óptimo, una gran variedad de aplicaciones y un fácil mantenimiento del equipo. El cuerpo húmedo de esta bomba, está fabricado en un polímero de grandes cualidades mecánicas y de excelente resistencia química. Estos materiales evitan las incrustaciones de partículas, y además no son afectados por problemas de cavitación. Las aplicaciones de esta bomba son de óptimo rendimiento en plantas de ácido, agua de cola, aguas marinas, y en general en lugares con gran concentración de corrosivos. Además tiene una muy buena aplicación en la industria alimenticia dado que no contamina los productos. Las bombas están disponibles en materiales del acero termoplástico e inoxidable, diseños del mecanismo impulsor para las aplicaciones horizontales y verticales. La construcción rugosa proporciona una resistencia excelente al producto químico y a la corrosión. as aplicaciones típicas son proceso químico, laminado de metal, piezas que lavan sistemas, fabricación de la tarjeta de circuito impresa, foto que procesa, productos farmacéuticos, semiconductores, etc. b. De flujo mixto. La bomba de flujo mixto ocupa una posición intermedia entre la centrífuga y la de flujo axial. El flujo es en parte radial y en parte axial, siendo la forma del rodete acorde con ello. La trayectoria de una partícula de fluido es una hélice cónica. La cota que se consigue puede ser hasta de 80 pies por rodete, teniendo la ventaja sobre la bomba axial de que la potencia que ha de suministrar el motor es casi constante aunque se produzcan variaciones considerables de cota. La recuperación de la cota de presión se consigue mediante un difusor, un caracol o una combinación de ambos. Página 24

31 Entre algunas ventajas de este tipo tenemos: 1. Amplia gama de líquidos y viscosidad. 2. Posibilidad de altas velocidades, permitiendo la libertad de seleccionar la Unidad motriz. 3. Bajas velocidades internas. 4. Baja vibración mecánica, flujo libre de pulsaciones y operaciones suaves. 5. Diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener. 6. Alta tolerancia a la contaminación en comparación con otras bombas Rotatorias. 7. Amplia gama de flujos y presiones. Entre algunas desventajas de este tipo tenemos: 1. Costo relativamente alto debido a las cerradas tolerancias y claros de operación. 2. Características de comportamiento sensibles a los cambios de viscosidad. 3. La capacidad para las altas presiones requiere de una gran longitud de los elementos de bombeo. c. de diafragma En la bomba de simple diafragma, este es flexible, va sujeto a una cámara poco profunda y se mueve por un mecanismo unido a su centro. Con el mando hidráulica del diafragma, mediante impulsos de presión iniciados en una cámara de fluidos conectada a un lado del diafragma, se consigue el mismo funcionamiento. Por tanto, los tipos principales de bombas de diafragma son: 1.- De mando mecánico. 2.- De mando hidráulico. En las últimas, la citada presión pulsatoria deriva normalmente de una bomba de pistón, con lo que se pueden designar como bombas de pistón diafragma. Página 25

32 d. de pozo profundo Cada vez se utilizan mas de las bombas para gran profundidad, en lugar de las autocebado, de desplazamiento positivo para vaciado de fondos y aplicaciones análogas, cuando la bomba puede funcionar sumergida o cuando la interrupción de la descarga es temporal y ocurre solamente cuando las perturbaciones del nivel inferior del líquido son de importancia. Las principales ventajas a este tipo de bombas son: 1.-Funcionamiento más fácilmente regulable. 2.-Gran capacidad y rendimiento y además, a grandes velocidades. 3.-Tolerancia ante los contaminantes en el fluido. 4.-Sumamente compacta, tanto en servicio vertical como en horizontal. 5.- Funcionamiento silencioso. 6.-Amplio campo de elección de un motor apropiado. 7.- Facilidad de drenaje automático o de desmontarla (vertical) para inspección o mantenimiento. La primera de estas ventajas puede ser fundamental cuando el fluido es peligroso. La instalación de una bomba para gran profundidad no deja de presentar problemas. Notablemente por el hecho de que suele suspender de una cubierta superior. A veces requiere una fijación rígida que la abrace e impida la flexión del tramo vertical colgante, bajo solicitaciones de vaivén. BOMBAS PERIFÉRICAS. Son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía; no se debe confundir a las bombas tipo difusor de pozo profundo, llamadas frecuentemente bombas turbinas aunque no se asemeja en nada a la bomba periférica. Página 26

33 2.7 MEDIOS DE PROPORCION DE PRESION. El sistema de presión independiente, se emplea cuando la instalación hidráulica requiere una carga mayor que la disponible en la red municipal, o bien, aunque esta carga disponible satisfaga la presión que requiere dicha instalación, no se cuente con un suministro continuo de la misma red, ocasionando esto que no siempre se cuente con agua dentro de la instalación, pero si con la presión suficiente en el momento en que exista el liquido, para satisfacer a todos los muebles sanitarios. Los métodos más comunes son: tanque elevado, bomba auxiliar, bombeo programado y sistema hidroneumático TANQUE ELEVADO. Se utiliza cuando la presión de la red es suficiente para abastecerlo, pero el suministro es intermitente, o bien, cuando se tiene un almacenamiento inferior (como una cisterna, pozo, etc.) y se envía el agua hasta el tanque elevado por medio de una bomba y es recomendable para este sistema, tener un cierto porcentaje de reserva en el equipo ( de preferencia el 100%) para garantizar la continuidad en el servicio, así, en caso de que una de ellas falle, la otra pueda trabajar en el lugar de la bomba afectada. La localización de dicho tanque puede ser en la azotea del edificio, o bien, sobre una estructura especial para alojarlo. La altura a la que se colocara el tanque según el artículo 57 del Reglamento de Ingeniería Sanitaria Relativo a Edificios será por lo menos de 2 m desde el mueble sanitario más alto de la instalación, hasta el fondo del tanque SISTEMAS DE BOMBEO DE TANQUE A TANQUE Este sistema consiste por ejemplo en un tanque elevado en la azotea del edificio; con una altura que permita la presión de agua establecida según las normas sobre la pieza más desfavorable. Desde el tanque elevado se hace descender una tubería vertical de la cual surgirá para cada piso, una ramificación a los apartamentos correspondientes al mismo, dándose de esta forma el suministro por gravedad. Este sistema requiere del estudio de las presiones de cada piso, asegurándose con este que las mismas no sobrepasen los valores adecuados. Página 27

34 En la parte inferior de la edificación existe un tanque, el cual puede ser superficial, semi subterráneo o subterráneo y en el que se almacenará el agua que llega del abastecimiento público. Desde este tanque un número de bombas establecido (casi siempre una o dos), conectadas en paralelo impulsarán el agua al tanque elevado. Página 28

35 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO El cálculo del sistema de bombeo de tanque a tanque requiere de dos pasos previos, del cálculo de la dotación diaria (y caudal de bombeo) y de la carga dinámica total de bombeo, los cuales se explican en los capítulos I y II respectivamente. Sin embargo se hace necesario la coordinación de algunos parámetros, los cuales se explican en los párrafos siguientes: Cuando fuere necesario emplear una combinación de tanque bajo, bomba de elevación y estanque elevado, debido a presión insuficiente en el acueducto publico, y/o a interrupciones de servicio frecuentes, el volumen utilizable del estanque bajo no será menor de las dos terceras (2/3) partes de la dotación diaria y el volumen utilizable del estanque elevado no será menor de la tercera (1/3) parte de dicha dotación. La tubería de aducción desde el abastecimiento público hasta los tanques de almacenamiento, deberá calcularse para suministrar el consumo total diario de la edificación en un tiempo no mayor de cuatro 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 horas, previendo en esta que la velocidad esta comprendida entre 0.60 y 3.00 m/seg. 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 estanque elevado en un tiempo no mayor de dos 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 distribución. Página 29

36 CALCULO DE LAS BOMBAS Y MOTORES La potencia de la bomba podrá calcularse por la fórmula siguiente: HP = Q ( lps ) H ( metros 76 n(%)100 ) Donde: HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza. Q = Capacidad de la bomba. H = Carga total de la bomba (ADT). 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 HP (motor) = 1,5 * HP (bomba) para motores monofásicos BOMBA AUXILIAR. El sistema de bomba auxiliar consiste en colocar una bomba centrífuga entre la toma de la red municipal y al instalación hidráulica. Su fin es el de proporcionar la presión requerida por la instalación para poder satisfacer, en carga, a todos los aparatos sanitarios. Las características de la bomba son que el gasto y la presión de esta deben ser igual al gasto máximo instantáneo y la presión requerida por la instalación. Fig. 3 Bomba centrifuga usada casos de emergencia. Página 30

37 Debe cumplir entonces este sistema ciertas condiciones para que pueda funcionar, y son las siguientes: la dotación de agua proveniente de la red municipal debe ser continua y con un gasto igual, como mínimo, al máximo instantáneo. Sin embargo, es necesario señalar que este sistema solo funcionaría adecuadamente en los casos en que además de cumplir con las dos condiciones anteriores, la demanda de la edificación fuera constante e igual al gasto máximo instantáneo, como es el caso de algunos edificios del tipo cuarteles, reclusorios, internados o similares BOMBEO PROGRAMADO. Este sistema para proporcionar presión independiente surgió en los Estados Unidos a finales de la segunda guerra mundial. Originalmente fue utilizado para abastecer de combustible a los vehículos bélicos de ese país, ya que con el sistema tradicional de una sola bomba en lugares especiales para abastecimiento de energéticos, perdían demasiado tiempo en la espera de ser suministrados. En la actualidad este sistema se emplea para el abastecimiento de agua municipal, conjuntos habitacionales, fraccionamientos, industrias, hoteles, hospitales, clubes deportivos y en general en cualquier edificio. El mantenimiento de los sistemas de bombeo programado es mínimo, ya que se reduce al mantenimiento normal requerido por cualquier simple sistema de arranque de motores eléctricos y a la eventual sustitución de alguno de los relevadores de tipo enchufable que constituyen los circuitos de control. Existen dos procedimientos mediante los cuales se puede lograr el bombeo programado y que a continuación se enuncian: 1. A través de bombas de diferentes capacidades. Este principio se basa de que al colocar un conjunto de bombas en paralelo, el gasto que proporcionan es igual a la suma de gastos de cada bomba, siendo la presión constante e igual a cada una de ellas. 2. Otro arreglo podría ser el de dos bombas (para tener reserva 100%) en que cada una proporcione el 10% del gasto máximo instantáneo; otras dos bombas dando cada una el 40% de dicho gasto y finalmente dos mas proporcionen cada una el 50% del gasto máximo instantáneo (con reserva 100% en todos los casos). Página 31

38 2.7.5 SISTEMAS DE PRESION CONSTANTE. Son aquellos sistemas de bombeo en donde se suministra agua a una red de consumo, mediante unidades de bombeo que trabajan directamente contra una red cerrada. Los sistemas de bombeo a presión constante se clasifican en dos grupos principales, a saber: Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad fija. Sistema de bombeo contra red cerrada a velocidad variable. 2.8 SISTEMA HIDRONEUMÁTICO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los sistemas hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión. Página 32

39 El sistema que se muestra en la figura funciona como se explica a continuación: El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente (acometida), 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 contiene volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, al comprimirse el aire 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. Página 33

40 2.8.2 COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO El Sistema Hidroneumático deberá estar construido y dotado de los componentes que se indican a continuación: 1. Un tanque de presión, el cual consta entre otros de un orificio de entrada y otro de salida para el agua. 2. Un número de bombas acorde con las exigencias de la red (una o dos para viviendas unifamiliares y dos o más para edificaciones mayores). 3. Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar el agua en el estanque bajo (Protección contra marcha en seco). 4. Llaves de purga en las tuberías de drenaje. 5. Válvula de retención en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al tanque Hidroneumático. 6. Conexiones flexibles para absorber las vibraciones. 7. Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre éste y el sistema de distribución. 8. Manómetro. 9. Válvula de seguridad. 10. Dispositivo para control automático de la relación aire/agua. 11. Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima, arranque aditivo de la bomba en turno y control del compresor. 12. Indicador exterior de los niveles en el tanque de presión, par a la indicación visual de la relación aire-agua. 13. Tablero de potencia y control de los motores. 14. Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático, con su correspondiente llave de paso. 15. Compresor u otro mecanismo que reponga el aire perdido en el tanque hidroneumático. 16. Filtro para aire, en el compresor o equipo de inyección. Nota: Para los equipos instalados en viviendas unifamiliares y bifamiliares, los requerimientos señalados en los apartes 9, 10, 12, 16 podrán suprimirse. Página 34

41 2.8.3 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 arranques/ hora se usa para el confort del usuario y se considera que con mas de seis arranques/hora puede ocurrir un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo, molestias al usuario y un 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 más rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será mas larga. Una vez calculado el Caudal Máximo Probable de agua correspondiente a una red de distribución, así como, los diámetros y presión mínimas requeridos por la red, y tomada la decisión de instalar un sistema hidroneumático, se deben tomar en cuenta un grupo de factores los cuales se explicarán en las secciones siguientes PRESIONES DE OPERACION DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO PRESION MINIMA (Pmin) La presión mínima de operación (Pmin) del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma más desfavorable y podrá ser determinada por la fórmula siguiente: 2 V P min = h+ hf + + hr 2g Página 35

42 Donde: h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el nivel superior del liquido. Σhf = La sumatoria de todas las perdidas (tanto en tubería recta como accesorios) que sufre el fluido desde la descarga del tanque hasta la toma mas desfavorable. V²/2g= Energía dinámica o cinética. hr = Presión residual. Un estimado bastante preciso (para edificios habitacionales de más de cuatro pisos) es el siguiente: Se establece una altura entre placas de 2,75 m (si no hay otro dato) Como pérdidas ( hf) se estima un 10% de la altura de la edificación más unos 7 m de pérdidas en piso. Como presión residual se estiman 7 m, cuando los W.C. son con tanque y 12 m cuando son con Fluxómetro PRESION DIFERENCIAL Y MÁXIMA El artículo número 205 de la Gaceta Oficial Extraordinario*, recomienda que la presión diferencial, no sea inferior a 14 metros de columna de agua (20 PSI). Sin embargo, no fija un límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce en tamaño final del mismo. Sin embargo al aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes, pequeños, tales como un mayor espesor de la lámina del tanque, elevando así su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o casos graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil. La elección de la Presión Máxima se prefiere dejar al criterio del proyectista. Página 36

43 2.8.5 DIMENSIONAMIENTO DE LAS BOMBAS Y MOTORES * La primera consideración al seleccionar el tamaño de las bombas, es el hecho de que deben ser capaces por si solas de abastecer la demanda máxima dentro de los rangos de presiones y caudales, existiendo siempre una bomba adicional para alternancia con la (s) otra (s) y para cubrir entre todas, por lo menos el 140 % de la demanda máxima probable. Como ya fue mencionado, solo es permitido el uso de una bomba en el caso de viviendas unifamiliares; en cualquier otro tipo de edificaciones deben seleccionarse dos o más unidades de bombeo. NOTA: Según la Gaceta Oficial Extraordinario un hidroneumático deberá tener solo dos bombas, los sistemas con tres o más bombas están considerados como de Presión Constante. Ya que se debe dejar una unidad de bombeo de reserva para la alternancia y para confrontar caudales de demanda súper-pico, se deberá usar el siguiente criterio: La suma total de los caudales de las unidades de bombeo utilizados no será nunca menor del 140 % del caudal máximo probable calculado en la red. La tabla siguiente presenta el criterio anteriormente expuesto. No de Bombas % de Qmax Total Q de Bombeo Nota: Más de cuatro unidades de bombeo no se justifican en los hidroneumáticos de edificios, más podrían considerarse dependiendo de la proyección horizontal y/o vertical de la edificación POTENCIA REQUERIDA POR LA BOMBA Y EL MOTOR La potencia de la bomba para un sistema hidroneumático podrá calcularse por la misma fórmula indicada anteriormente: HP= Q( lps) H ( metros) 76 ( n% /100) * Normas Sanitarias para Proyecto, Construcción, Reparación, Reforma y Mantenimiento de Edificaciones. Gaceta Oficial de la República de Venezuela, Nº Extraordinario, Caracas 8/9/88. Página 37

44 Las bombas deben seleccionarse para trabajar contra una carga por lo menos igual a la presión máxima en el tanque hidroneumático. Esto está indicado en Gaceta para garantizar que las unidades de bombeo seleccionadas alcancen la presión máxima requerida por el sistema hidroneumático; pero de tenerse a mano curvas características de las unidades de bombeo, la selección podrá hacerse por medio de ellas. La potencia del motor eléctrico que accione la bomba será calculada según las mismas consideraciones utilizadas en el cálculo de los sistemas de tanque a tanque DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE A PRESION El dimensionamiento del tanque a presión, se efectúa tomando como parámetros de cálculo el caudal de bombeo (Qb), el caudal de demanda (Qd), los ciclos por hora (U), y las presiones de operación, el procedimiento resumidamente es así: Tc representa el tiempo transcurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa como sigue: Tc 1Hora U = Dado que U=6 por definición. Por lo tanto para caudales en lts/seg y tiempos en segundos: 3600 Tc = = 600 seg 6 Por definición, el momento en que ocurren más ciclos en una hora es cuando el caudal de demanda (Qd) es igual a la mitad del caudal de bombeo (Qb), por lo tanto: Q d = 1 Q 2 b Por otro lado: Tc = 4Vu Q b Página 38

45 Despejando Vu: Vu = Tc Q 4 b = 600 Q 4 b = 150Q b Vu = 150Q b ( en litros para u=6 y Qb=lts/s) Por otro lado, procedemos al cálculo del porcentaje del volumen útil (%Vu) que representa la relación entre el volumen utilizable y el volumen total del tanque y se podrá calcular a través de la siguiente ecuación: % Vu = 90 P max P min P max Donde: Pmáx = Es la presión máxima del sistema Pmin = Es la presión mínima del sistema Nota: Tanto la Pmáx como la Pmin serán dados como presiones absolutas. Cálculo del volumen del tanque (Vt). Vu 5000 Qb Vt= = (en litros). (% Vu /100) % Vu CALCULO DEL COMPRESOR Siendo la función del compresor la de reemplazar el aire que se pierde por absorción del agua y por posibles fugas, su tamaño es generalmente pequeño. Debe vencer una presión superior a la máxima del sistema, y su capacidad no pasa de pocos pies cúbicos de aire por minuto. En efecto, el agua tiene una capacidad de disolver a 15 C y a 14,696 psi (10,34m de columna de agua) 21,28 dm³ de aire por cada metro cúbico (1 m³) de agua, suponiendo que esta agua no tuviera ninguna materia en solución. Página 39

46 Ahora bien, la capacidad de solución del agua está ya en parte agotada por el cloro de desinfección; por lo tanto el compresor necesario para reponer el aire absorbido por el agua debe ser muy pequeño, donde: U = Número de ciclos por hora. b = Determinación del volumen útil del tanque (Vu). Es el volumen utilizable del volumen total del tanque y representa la cantidad de agua a suministrar entre la presión máxima y la presión mínima. Vu = Tc Q b Los datos que suministra la experiencia, son resumidos en diferentes tablas y reglas, por ejemplo según la firma PEERLES PUMP DIVISION, compresores con capacidad de 1 a 2 pies cúbicos por minuto ( cm³ a cm³ por minuto) por cada galones (3.785 Lts) de capacidad total del tanque, han sido encontrado satisfactorio para muchas instalaciones. Los compresores deben estar accionados por interruptores de nivel y de presión, para asegurar el mantenimiento de las proporciones debidas de agua y aire. En los tanques de capacidad, iguales o mayores a 320 galones, es preferible usar para la recarga del aire un compresor del tipo convencional, de capacidad y presión adecuada para el sistema, movidos por un motor eléctrico mandado por un sistema de control, el cual normalmente funciona mediante un sistema de combinación entre presión y nivel de agua, de manera que se pueda controlar el trabajo del compresor SISTEMAS HIDRONEUMATICOS DE USO DOMESTICO Los sistemas hidroneumáticos con tanques de 320 Galones o menos y en edificaciones con 30 piezas servidas o menos se denominan hidroneumáticos de quintas o de uso doméstico, su metodología de dimensionamiento difiere de los llamados hidroneumáticos temporales, sobre todo en las estimaciones de los caudales pico de la demanda ya que ninguno de los otros métodos de cálculo parecen dar resultados coherentes. Según una tesis de pre-grado realizada por los estudiantes Dos Ramos G. Roberto y Gómez G. Camilo de la Universidad Simón Bolívar en el cálculo para sistemas hidroneumáticos de uso doméstico (vivienda unifamiliar) la estimación de la demanda se hará de acuerdo a la fórmula presentada a continuación. Q d = 0.83* Np (Litros por minuto) Página 40

47 Donde: Q d = Caudal de demanda en litros por minuto. Np = Número de piezas o aparatos sanitarios servidos. Para tanques comerciales, considérense los siguientes, de acuerdo con el gasto máximo supuesto: GASTO DE DIMENSIONES DEL TANQUE BOMBEO (LPS) VOLUMEN (lts) DIAMETRO (m) LARGO (m) ,06 2, ,25 2, ,06 3, ,25 3, ,25 3, ,35 3, ,35 4, ,35 4, ,35 4, ,54 4, ,54 4,35 Página 41

48 Tabla de tamaños y capacidades para tanques hidroneumáticos. Capacidad Aproximada (galones) TAMAÑO Y CAPACIDAD DE TANQUES HIDRONEUMATICOS DIMENSIONES DEL TANQUE Peso para una presión de trabajo de 100 lib/pulg 2 Diámetro en pulg. Longitud en pies VERTICALES (hasta 340 gal.) HORIZONTALES Página 42

49 CAPITULO III DISEÑO Y DISTRIBUCION DE LA RED HIDRAULICA. Página 43

50 3.1 RED DE DISTRIBUCION HIDRAULICA. Haremos referencia a los materiales y equipos para las instalaciones hidráulicas, las características de las tuberías de cobre y fierro galvanizado, así como las piezas especiales utilizadas para unir uno y otro material. Además se presentaran las bombas más usuales, válvulas y equipo necesario INSTALACION HIDRAULICA. Una instalación hidráulica es el conjunto de tinacos, tanques elevados, cisternas, tuberías de succión, descarga y distribución, válvulas de control, válvulas de servicio, bombas, equipos de bombeo, de suavización, generadores de agua caliente, de vapor, etc. necesarios para proporcionar agua fría, agua caliente, vapor en casos específicos, a los muebles sanitarios, hidrantes y demás servicios especiales de una edificación. Para el hospital Cundallini el suministro es de agua potable. Las instalaciones hidráulicas dentro de la construcción agrupan a las siguientes redes de tuberías: Tuberías del medidor a la cisterna, al tinaco o a los muebles. Tuberías de la cisterna al tinaco o al equipo de presión. Tuberías del tinaco o del equipo de presión a los muebles. Todas ellas conducen agua potable a presión, con el objeto de que finalmente sea utilizada en cada uno de los aparatos sanitarios instalados. Independientemente de conducir agua potable a presión tienen características particulares que las diferencian unas de otras, sin embargo combinadas pueden formar parte de un mismo sistema; estos sistemas se complementan de equipos de presión, depósitos, válvulas y accesorios que permiten un correcto funcionamiento. Las características que deben tener estas redes son las siguientes: Deben de conducir el agua a presión con un mínimo de pérdidas de carga, con el objeto de que las fuentes de presión disminuyan al máximo posible su capacidad, provocando ahorro en su inversión, mantenimiento y consumo de energía. Deben de instalarse con facilidad, con el menor herramental posible permitiendo al operario disminuir el tiempo de montaje y evitar fatigas exageradas en su jornada de trabajo. Página 44

51 Deben de durar bastante tiempo; el mismo que la construcción, esto se logra con una buena instalación, con una adecuada velocidad de flujo y con una excelente resistencia a cualquier tipo de corrosión. La selección de los materiales debe de realizarse en base a estos puntos, la importancia de esto se refleja directamente en la calidad de la instalación y por lo tanto de la obra, es conveniente aclarar que la calidad de la obra no debe estar en función del tipo, ya sea éste residencial, interés social, etc. sino de quien lo ejecuta. Las tuberías de cobre en las instalaciones hidráulicas tradicionalmente se utilizan, debido a que los usuarios se han percatado de sus ventajas, permitiendo ahorros importantes en cuanto a mantenimiento, duración y conducción del flujo. 3.2 MATERIALES PROPUESTOS TUBERIA DE COBRE. Las propiedades físicas, químicas y metalúrgicas del cobre, le han dado buenas características para manufactura de conductos tubulares, empleados en la plomería que benefician a instaladores como a usuarios de una edificación. Fabricada sin costura Continuidad de flujo por su pared lisa: El proceso de fabricación por extrusión permite obtener tuberías con paredes lisas y tersas, esto aunado a que no admiten incrustaciones en su interior, permiten conducir los fluidos con un mínimo de pérdidas de presión, conservando el mismo flujo durante la vida útil de la instalación. Resistencia a las presiones internas de trabajo: Las tuberías de cobre se fabrican sin costura, lo que permite tener espesores de pared mínimos calculados para resistir perfectamente las presiones de trabajo que se presentan en cualquier instalación, además de ofrecer un factor de seguridad de 5 veces la presión de trabajo constante. Resistencia a la corrosión: El cobre debido a sus características, es sin duda el metal apropiado para la fabricación de tuberías. El cobre tiene la particularidad de cubrirse de una capa de óxido que penetra en el metal solo unas cuantas micras, esta capa sirve de protección indefinida, de ahí que las tuberías de cobre tengan un excelente comportamiento frente a la totalidad de los materiales de construcción y de los fluidos a conducir, asegurando así una larga vida útil. Página 45

52 Fabricado en temple rígido y flexible: Las tuberías de cobre se fabrican en dos temples: Rígidas: en tramos rectos de 6.10 m (20 pies) y Flexibles: en rollos de m (50 pies) y de18.30 m (60 pies) de largo pudiéndose fabricar en otras longitudes de acuerdo a las necesidades del mercado Ligero Fácil de unir : Debido a los sistemas de unión que se emplean en las tuberías de cobre ; soldadura capilar y de compresión en tuberías rígidas ; de abocinado a 45º (flare) y de compresión en tuberías flexibles ; así como la ligereza del material y el uso de herramientas mínimas y ligeras, las uniones se efectúan con gran facilidad y rapidez TUBERIA DE FIERRO GALVANIZADO. El uso de este tipo de tuberías en las instalaciones hidráulicas es, fundamentalmente, en tuberías exteriores. Esto es por la alta resistencia a los golpes proporcionada por su propia estructura interna y por las gruesas paredes de los tubos y conexiones hechos con este material. Con el paso del agua a presión durante largo tiempo el recubrimiento de zinc con el que están construidas estas tuberías se va perdiendo y la oxidación y la corrosión de material se empieza a producir, dependiendo de la calidad del agua, pudiendo llegar a disminuir considerablemente la sección transversal de la tubería, debido a los depósitos de carbonatos u óxidos, formados en sus paredes. 3.3 CONEXIONES CONEXIONES DE COBRE. La tubería de cobre para aguas se instala con conexiones de cobre hasta 2 y de bronce de 2 ½ a 4. La mayoría de las conexiones utilizadas en nuestra instalación serán soldadas y en otros escasos puntos roscable. Para tuberías y conexiones de cobre se usará soldadura de baja temperatura de fusión, con aleación de plomo 50% y estaño 50%, utilizando para su aplicación fundente no corrosivo. Página 46

53 Nota: * Para tuberías y conexiones de acero soldable utilizar soldadura eléctrica empleando electrodos de calibre adecuado al espesor de las tuberías, clasificación: AWS E y AWS * Para unir bridas, conexiones bridadas o válvulas bridadas, utilizar tornillos maquinados de acero al carbono, con cabeza y tuerca hexagonal, y junta de hule rojo con espesor de mm VÁLVULAS Se denomina válvula al dispositivo de la instalación hidráulica, que sirve para regular, interrumpir o restablecer el flujo del agua en la tubería; para permitir que este fluido siga determinando sentido en una canalización, pero no lo contrario; o bien para expulsar vapores o aire atrapado en la tubería. * Todas las válvulas serán clase 8.8 Kg/cm2. * En las líneas de succión de bombas las válvulas de compuerta y las válvulas de retención serán roscadas hasta 38 mm de diámetro y bridadas de 50 mm o mayores. * En todo el resto de la instalación las válvulas de compuerta y de retención serán roscadas hasta 50 mm de diámetro y bridadas de 64 mm o mayores. * Las válvulas de compuerta serán de vástago fijo en cajas de válvulas y de vástago ascendente, en todos los lugares donde se cuente con el espacio suficiente para su operación. 3.4 SIMBOLOGIA Los símbolos empleados en el dibujo de los proyectos de las instalaciones deben ser claros y proporcionales a la escala del plano. Para unificar la presentación de los proyectos de instalaciones, tanto en su etapa de anteproyecto como en el desarrollo del proyecto, deberán emplearse los símbolos que se indican en la siguiente tabla. Página 47

54 Alimentación agua fría de la toma a tinaco o cisterna Tubería de agua fría Tubería de agua caliente Tubería de retorno Tubería de vapor Tubería de agua destilada Tubería sistema contra incendio Válvula de compuerta Válvula de Globo Válvula check Válvula check con filtro Válvula de seguridad Válvula de compuerta angular Válvula de globo angular Bomba Codo de 90º Codo de 45º Te Ye Tuerca unión Página 48

55 Página 49

56 En caso de tener un símbolo no incluido en esta relación, se deberá específicamente clara en el plano correspondiente. Página 50

57 CÓDIGO DE COLORES Las tuberías se pintarán de acuerdo con el código de colores del IMSS, indicado en la siguiente tabla: PARA IDENTIFICACIÓN DE TUBERÍAS FLUIDO ABREVIATURA COLOR No.PANTONE AGUA FRIA POTABLE AF BLANCO OPAQUE WHITE-C AGUA FRIA TRATADA AFT BLANCO OPAQUE WHITE-C AGUA CALIENTE AC BLANCO OPAQUE WHITE-C RETORNO DE AGUA CALIENTE PROTECCION CONTRA INCENDIO RAC BLANCO OPAQUE WHITE-C CI ROJO 199-C VAPOR DE BAJA PRESION VBP BLANCO OPAQUE WHITE-C VAPOR DE MEDIA PRESION VMP BLANCO OPAQUE WHITE-C VAPOR DE ALTA PRESION VAP BLANCO OPAQUE WHITE-C CONDENSADO DE BAJA PRESION CONDENSADO DE MEDIA PRESION CONDENSADO DE ALTA PRESION AGUAS NEGRAS AN NEGRO AGUAS JABONOSAS O CLARAS RCBP BLANCO OPAQUE WHITE-C RCMP BLANCO OPAQUE WHITE-C RCAP BLANCO OPAQUE WHITE-C AJ NEGRO AGUAS PLUVIALES AP BLANCO OPAQUE WHITE-C AGUA TRATADA ( DE SUAVIZADORES) AT BLANCO OPAQUE WHITE-C GAS L.P. G AMARILLO 116-C GAS L.P. (LLENADO DE TANQUE) G ROJO 199-C GAS NATURAL GN AMARILLO 116-C DIESEL D NARANJA 165-C RETORNO DE DIESEL RD NARANJA 165-C OXIGENO O VERDE 808-C OXIDO NITROSO ON AZUL 280-C AIRE COMPRIMIDO A GRIS 428-C VACIO (SUCCION) VC BLANCO OPAQUE WHITE-C Página 51

58 3.5 MUEBLES SANITARIOS ELEGIDOS INODORO W-1 CON ENTRADA SUPERIOR Y FLUXOMETRO OCULTO DE PEDAL. Página 52

59 MINGITORIO M-1 DE PARED CON FLUXOMETRO. Página 53

60 LAVABO TIPO L-1. Página 54

61 REGADERA R-1. Página 55

62 VERTEDERO EN MESA DE TRABAJO. Página 56

63 3.6 ORDEN PROGRESIVO DE LOS PLANOS DEL HOSPITAL TRAZO DE LAS REDES GENERALES Para el trazo de las redes generales se deberán seguir dentro de lo posible, las indicaciones siguientes: * Deben ir por circulaciones del edificio para facilitar los trabajos de mantenimiento. * No deben pasar por lugares habitados como son salas de operaciones, salas de encamados, puestos de enfermeras, etc., ya que se pueden ocasionar trastornos de consideración en caso de fugas o trabajos de mantenimiento. * No pasarlas sobre equipos eléctricos, ni por lugares que puedan ser peligrosos para los operarios al hacer trabajos de mantenimiento. * Las tuberías verticales deberán proyectarse por los ductos determinados con el arquitecto y con los proyectistas de otras instalaciones, evitando los cambios de dirección innecesarios. * Las trayectorias deberán ser paralelas a los ejes principales de la estructura. * Las redes generales de las instalaciones hidráulicas deberán proyectarse paralelas y agrupadas, formando una sola "cama de tuberías". Lo mismo deberá hacerse con las redes principales de gases medicinales, aire comprimido y succión. ACOMODO DE EQUIPOS EN CASA DE MAQUINAS Con los planos del anteproyecto arquitectónico el proyectista de instalaciones podrá determinar, en forma bastante aproximada, las capacidades y tamaños de los diferentes equipos que se vayan a usar. En esta junta de acomodo de equipos en casa de máquinas, todos los proyectistas de instalaciones presentarán las plantillas de sus equipos, con los que se hará la distribución y acomodo de ellos, tomando en cuenta los espacios requeridos para su operación y mantenimiento. También deberá proporcionarle al arquitecto la capacidad de la o las cisternas y tanques elevados o tinacos las áreas requeridas para: los tanques de almacenamiento de combustible, centrales de gases medicinales que vayan a ser usadas, estación de medición de gas natural, etc. De esta manera es encomendando al mismo tiempo, localizaciones convenientes desde el punto de vista de estas instalaciones, para que el arquitecto las tome en cuenta para el desarrollo del proyecto. Página 57

64 ALTURA MÍNIMA La altura mínima de piso a lecho inferior de trabes debe tomar en cuenta la altura de los equipos más la altura requerida por las tuberías que se le conecten por la parte superior. Por ejemplo, en el caso de calderas, se debe considerar la altura de la base más la altura de la caldera más la altura requerida por la tubería de vapor que sale por la parte superior, y si las chimeneas tienen alguna trayectoria horizontal, se debe considerar el espacio requerido por éstas. En Casa de Máquinas con todos los servicios se puede pensar, en principio, en una altura mínima libre de 3.60 metros de piso a lecho inferior de trabes. Página 58

65 3.6.1 ISOMÉTRICO DEL HOSPITAL Plano isométrico de la red principal de tubería Página 59

66 3.6.2 PLANTA DE CONJUNTO Página 60

67 3.6.3 VISTA SUPERIOR: SÓTANO Página 61

68 VISTA SUPERIOR: PLANTA BAJA Página 62

69 VISTA SUPERIOR: PLANTA DE ADMINISTRACION Página 63

70 CORTE LONGITUDINAL Página 64

71 3.7 DATOS TÉCNICOS DEL HOSPITAL CUNDALLINI ÁREA El área con la que fue construido el hospital es la siguiente: AREA DEL HOSPITAL: 23,400 m² ALTURA ENTRE PISOS La altura entre pisos conforme a la norma del IMSS la consideramos de 3.5 m. y se restan 50 cm por el espacio que va a ocupar la tubería para el suministro de agua SUPERFICIE Esta area es con la que fue diseñado el hospital y es la siguiente: AREA TOTAL DEL TERRENO: m² NÚMERO DE MUEBLES MUEBLES SOTANO P.B. 1er. PISO TOTAL DE MUEBLES LAVABOS W.C FREGADEROS REGADERAS MINGITORIOS LAVADORAS Página 65

72 CAPITULO IV CALCULOS Y COSTOS. Página 66

73 4.1 CALCULO DE LA CISTERNA. CISTERNA DE AGUA CRUDA Si no se requiere de algún proceso de potabilización, la cisterna será exclusivamente para agua "cruda" dividida en dos celdas y su volumen útil se calculará a razón de litros por cama censable por día. Este valor incluye consumo por servicios hospitalarios y por riego, así como reserva para protección contra incendio. En caso de que sea agua cruda: 1600 * 62 = litros Que es igual a 99.2 m³ CISTERNA DE AGUA POTABLE En caso de que se requiera potabilizar el agua para los servicios hospitalarios, el volumen útil de la cisterna de agua potabilizada se calculará a razón de litros por cama censable por día, también dividida en dos celdas. Como nuestro hospital es de 62 camas y el agua tiene que ser potable, determinaremos la dimensión de la cisterna. En este caso la cisterna contiene agua potable: 1000 * 62 = litros Que es igual a 62 m³ Página 67

74 4.2 CÁLCULO DEL GASTO Y DIÁMETRO DE LA TUBERÍA MÉTODO DE UNIDADES-MUEBLE O DE HUNTER-NIELSEN. El cálculo del gasto se determina por el Método de unidades-mueble o de Hunter-Nielsen, utilizando los valores y las tablas de los gastos en función de las unidades-mueble (1 U.M. = 3 litros). Las unidades mueble se determinan por medio de la siguiente tabla* considerando aparatos con fluxómetro, y para el caso del W.C. consideraremos el de menor gasto para reducir los costos, tenemos: Tabla de Unidades de consumo o unidades mueble (U. M.) Aparato o Uso Uso Forma de grupo de aparatos Público Particular Instalación W. C Válvula de descarga W. C. 5 3 Tanque de descarga Lavabo 2 1 Grifo Bañera 4 2 Grifo Ducha 4 2 Válvula mezcladora Fregadero 4 2 Grifo Pileta de office 3 Grifo Mingitorio de pedestal 10 Válvula de descarga Mingitorio mural 5 Válvula de descarga Mingitorio mural 3 Tanque de descarga Cuarto de baño completo 8 Válvula de descarga para W. C. Cuarto de baño completo 6 Tanque de descarga para W. C. Ducha adicional 2 Válvula mezcladora Lavadero 3 Grifo Combinación de lavadero y fregadero 3 Grifo * Manual NACOBRE, Memoria de cálculo para instalaciones hidráulicas con tubería de cobre. Página 68

75 La estimación de la demanda de U.M. L.P.M. (unidades mueble o de consumo litros por minuto) se obtiene con la siguiente gráfica* conociendo el número total de unidades mueble: Estimación de la demanda (U. M. en L. P. M.) 1 Instalaciones e las que predominan válvulas de descarga (fluxómetro) 2. Instalaciones en las que predominan tanques de descarga Página 69

76 TABLA DE DIAMETROS DE ACUERDO A LAS U.M. Diámetro de TUBERIA U.M.S/FLUXOMETRO U.M. C/FLUXOMETRO ½ 10 - ¾ ¼ ½ ½ * Manual NACOBRE, Memoria de cálculo para instalaciones hidráulicas con tubería de cobre. TABLA DE LONGUITUDES DEL RAMAL PRINCIPAL POR NIVELES Diam. TUBERIA SOTANO PLANTA BAJA 1er. PISO TOTAL (m) ¼ ½ ½ ½ TABLA DE LONGUITUDES DEL RAMAL SECUNDARIO POR NIVELES Diam. TUBERIA SOTANO PLANTA BAJA 1er. PISO TOTAL (m) ½ ¾ Página 70

77 TABLA DE MUEBLES HIDRAULICOS Y SANITARIOS Y GASTO POR UNIDAD MUEBLE MUEBLES GASTO U.M. SOTANO P.B. 1er. PISO TOTAL DE MUEBLES TOTAL DE U.M. LAVABOS W.C FREGADEROS REGADERAS MINGITORIOS LAVADORAS Total 706 El Hospital consume un total de 706 U.M. El equivalente de 706 U.M. es igual al consumo máximo probable de 680 L.P.M. obtenido de la grafica de Estimación de la demanda (U. M. en L. P. M.). De tablas sabemos que 650 UM son soportadas por tubería de cobre de 3. La presión máxima de trabajo será de 6 kg/cm 2 según la norma IMSS ND-01- IMSS-HSE-1997 instalaciones hidráulicas y sanitarias MÉTODO DE SUMINISTRO DE AGUA POR PRESIÓN. JUSTIFICACIÓN DE REDUCCIÓN DE DIÁMETROS. La finalidad de esta metodología de cálculo es la de difundir una forma sencilla de obtener los diámetros mínimos requeridos en una instalación hidráulica, garantizando el suministro de agua adecuado y necesario, lo cual redundará en un eficiente funcionamiento ; así como en un ahorro substancial en el costo de la instalación. Justificaremos el diámetro de la tubería como se muestra a continuación: Página 71

78 Método de cálculo 1. PRESIÓN INICIAL O PRESIÓN DE LA RED: ha sido determinada anteriormente con los valores que marca la norma del IMSS y corresponde al valor de: Pr=6.0 kg/cm 2 2. ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA QUE ES IGUAL A 706 UM Q =706 UM = 680 LPM = LPS 3. PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR ALTURA. Estas pérdidas son consecuencia de la altura, debido a la gravedad que debe vencer el fluido. h= = m; La altura a vencer es de m. Ph = kg/cm 2 Página 72

79 4. PRESIÓN DE SALIDA EN EL MUEBLE MÁS DESFAVORABLE, QUE EN ESTE CASO ES UN MINGITORIO. Presión de salida de mueble (B) (A) Diámetro de Aparato la tubería (pulgadas) (C) Presión (kg/cm 2 ) (D) Caudal (L. P. M.) Lavabo 3/ Grifo de cierre automático 1/ Lavabo público, 3/8 3/ Fregadero, 1/2 1/ Bañera 1/ Lavadero 1/ Ducha 1/ W. C : con tanque de descarga 1/ W. C. con válvula de descarga Mingitorio con válvula de descarga Manguera de jardín de 15 m 1/ Ps =1.09kg/cm 2 Página 73

80 5. PRESIÓN LIBRE. Esta presión se refiere a la presión disponible para vencer pérdidas por fricción debida a tuberías en la instalación. Pl =Pr Pc ; Pc = Ph + Ps = = kg/cm 2 Pl = = kg/cm 2 6. LONGITUD EQUIVALENTE AL MUEBLE MÁS DESFAVORABLE. Esta longitud se obtiene sumando la longitud de tubería recta, la longitud equivalente de las conexiones y accesorios instalados en la red. Tubería: La longitud es igual a L = m Conexiones: m m = m Longitud total = m 7. FACTOR DE PRESIÓN Fp= Plx100 L = 3.899x = kg/cm 8. DIÁMETRO DEL RAMAL PRINCIPAL (Φ = PULG.) Y VELOCIDAD DE FLUJO (V = M/S) Con el factor de presión obtenido y el caudal que requerimos encontramos en la siguiente gráfica un diámetro de 3 ½ con una velocidad de 2.2 m/s (la velocidad se debe encontrar en un rango de 0.9 a 2.9 m/s). Página 74

81 Gráfico para el cálculo del factor de presión en tubería de Cobre Página 75

82 4.2.3 MÉTODO DE HAZEN-WILLIAMS. Ahora calcularemos el diámetro de impulsión por el método de Hazen-Williams. La ecuación de Hazen-Williams es la siguiente: PL = 9.52x10 d int 6 Q L Donde: L= Longitud equivalente en m d= Diámetro en in 6 cte.= 9.52x 10 factor de conversión Q=gasto l/min PL= Presión Libre en la red en kg/cm 2 Para calcular el diámetro se despeja la ecuación: d x10 Q = PL 1.85 L d 9.52x10 = 6 ( 680) = 3.21 in El diámetro del tubo es de 3.21 in, el diámetro comercial es de 3 ½. Calculando el factor de presión PL= 9.52x10 d int 6 Q L x10 x680 x PL= 4.87 =2.691 kg/cm Página 76

83 Sabemos que la presión libre con la que cuenta la red es de kg/cm 2 Corrigiendo el valor de la PL y sustituyendo el diámetro de la tubería de 3 ½ nos arroja lo siguiente: ( 680) x d = = 3.47 Para calcular la velocidad se tiene la sig. Ecuación: Vel = xd L int xpl Vel = x3.47x =2.11 m/s Esta velocidad es correcta pues se encuentra dentro del rango que especifica la norma del IMSS. Página 77

84 4.3 CALCULO DE LA BOMBA Para calcular la potencia de la bomba se requiere conocer el número de accesorios a utilizar en su instalación, desde el punto de succión (válvula de pie) hasta el punto mas elevado o de impulsión (corresponde al la cota del punto mas alto en la tubería), así como el diámetro de las mismas y posteriormente sumar la longitud equivalente de los accesorios mas la altura de elevación. Conociendo la altura, el caudal y la eficiencia obtendremos la potencia. Longitud equivalente de conexiones a tubería en m Diámetro (pulgadas) Codo 90º Codo 45º Te giro de 90º Te paso recto Válvula de compuerta Válvula de globo Válvula de ángulo 3/ / / / / / / ACCESORIOS DE 3 ½ " No. EQUIVALENCIA EN PZAS METROS Succión Pichancha (válvula de pie) 1 8 codo Impulsión válvula check 1 15 válvula de compuerta TOTAL Página 78

85 A continuación obtenemos la longitud equivalente: Nomograma El valor de la válvula de pie se obtiene de este nomograma. Página 79

86 La ecuación para calcular la potencia de una bomba es la siguiente: Donde: HP = Potencia del motor en HP Qxh HP= 76 xη Q = caudal o gasto en litros por segundo 76 = constante para convertir a HP (para caballos de vapor HV usar una cte. 75) h = altura o carga a vencer (ADT) η = eficiencia Nota: Eficiencia η para bombas: De ¼ a 2 HP = 50 a 60% De 2 ½ a 10 HP =60 a 70% Mas de 10 HP = 70 a 80% CÁLCULO DE LA ALTURA DINÁMICA TOTAL ADT La Altura Dinámica Total ADT de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá. Que vencer un líquido impulsado por una máquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado como la toma más desfavorable. Para calcular la carga o altura dinámica total de bombeo: Donde: ADT= 2 v h + hf + + hr 2g h= Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido (entre el sitio de colocación de la válvula de pie y la cota superior del agua en el nivel mas elevado). hf = La sumatoria de todas las perdidas (tanto en tubería recta como en accesorios) que sufre el fluido entre el nivel de succión y el de descarga. Página 80

87 2 v = Energía cinética o presión dinámica (del mueble más desfavorable). 2g hr = Es la presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto mas desfavorable. Por lo tanto tenemos la siguiente ecuación: 2 v ADT= ( hs+ hd) + ( hfs+ hfd) + + ( hrs hrd) 2g Si 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. Nos queda: 2 v ADT= ( hs+ hd ) + ( hfs+ hfd ) + + ( hrd ) 2g Para cada término: ( hs+ hd) = = m ; ( hfs+ hfd) : Succión = pichancha + codo 90 + altura horizontal hfs = = 11.8 m Descarga = v. check + v. compuerta +a. horizontal + a.h. mueble desfavorable ( hfs+ hfd ) = = m ; hfd = = m 2 v : Mingitorio 5 U.M. = 15 l/min = 2.5x10-4 m 3 /s 2g Diámetro φ de descarga = 19 mm = m Área = 2 πφ π (0.019) = =2.83x10-4 m 2 Página 81

88 -4 Q 2.5x10 V = = A x10 =0.88 m/s 2 2 v (0.88) = =0.039 m ; 2g 2(9.81) hrd : Por ser el mueble mas desfavorable el mingitorio la presión de trabajo es de 1.09 kg/cm 2 hrd =10.9 m. Sustituyendo tenemos: 2 v ADT= ( hs+ hd) + ( hfs+ hfd) + + ( hrd) 2g ADT= ( 10.11) + (36.81) ( 10.9) = m La carga total de la bomba es de m. Entonces: Q = 680 l/min =11.33 l/s; h = m; η = 65 % (considerando una bomba menor a 10 HP) Página 82

89 º Sustituyendo: 11.33x HP= 76x0.6 = 8.95 HP Obtenemos una bomba con una potencia de 8.95 HP para un gasto de 680 l/min. Por norma si el gasto está entre 8 y 13 litros por segundo, se tendrán 3 bombas, cada una con capacidad para proporcionar el 50% del gasto máximo probable. Una bomba estaría de reserva. Para que cada bomba proporcione el 50%: Hp para una bomba = 8.95 HP = 4.47 HP para cada bomba. 2 Se tendrán 3 bombas de 4.47 HP cada una, para suministrar el 150% del gasto que demanda el sistema. Página 83

90 Los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener, según las normas oficiales vigentes, una potencia normal según las fórmulas siguientes: Para motores trifásicos: HP (motor) = 1.3 * HP (bomba) HP (motor) = 1.3 (5.37 HP)= 6.98 HP; Para motores monofásicos: HP (motor) = 1,5 * HP (bomba) HP (motor) = 1.5 (5.37 HP) = 8.05 HP CALCULO DEL NPSH. Longitudes equivalentes 1 Codo 2 =1.8 m 1 Válvula de pie 2 =6.5 m Tubo 2 =4.5 m Datos: Q= 640 l/min= 5.66X10-3 m 3 /s D=2 = m =15.10X10-6 m 2 /s f = K=0.001 mm PASO % DEL GASTO TOTAL BOMBAS OPERANDO 1 VARIABLE TANQUE BOMBA BOMBAS Página 84

91 Ecuaciones Area πθ π = = 4 ( ) 4 2 = m 2 V = Q A = = m 2 Re = VD v = ( 2.79)( 0.058) = = RR = K D = f = h f = ( 2.79) h f = 1.58 NPSH NPSH NPSH = = ( P P H H ) A ( ) = 3m S S r A F RR= rugosidad relativa. f = factor de fricción. = presión de saturación. =altura de succión. =perdidas en la succión. Página 85

92 4.3.2 SELECCIÓN DE BOMBA. BOMBA CENTRIFUGA 5502MEAU 5 H.P. 2 X 1 ½ lpm - 51 psi (36 mca) EF 52% Precio: $ 6, m.n. más IVA Modelo: 5502MEAU Línea: Bombas Centrífugas Tipo: Baja y media presión Capacidad: 328 lpm Presión: 51 psi (36 mca) Fabricante: Bombas Mejorada Página 86

93 Características: Motobomba centrífuga Mca. Mejorada mod. 5502MEAU, Bomba centrífuga de caracol con succión frontal radialmente partida de un solo paso, impulsor de fierro gris tipo cerrado, sello mecánico con caras de cerámica y carbón tipo 6 de 1 voluta de fierro gris con succión roscada de 2 NFTF y descarga roscada de 1 ½ NPTF, válvula de purga de 1/8 NPT de latón. Acoplada directamente a motor eléctrico tipo a prueba de goteo de corriente alterna, de 5 H.P., Trifásico 220/440 volts 60 ciclos 2 polos 3500 R.P.M., con brida c Flecha JM. Página 87

94 Página 88

95 4.5.4 COTIZACIÓN DEL TANQUE HIDRONEUMÁTICO Tanque HORIZONTAL 4,000 Lts. De Acero Inoxidable Medidas 1.7 Mx 1.9M De Diámetro, Tapa Torre Esférica Con Entrada Hombre, Salida Cónica, Eco A 68 Precio De Liquidación: $40, Ubicado En: Planta Mys Civac Comisión De Compra: Incluida Precios + IVA Página 89

96 4.4 CALCULO DEL TANQUE HIDRONEUMÁTICO CICLOS DE BOMBEO Se denomina ciclos de bombeo al número de arranques de una bomba en una hora. Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora. 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 más rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será mas larga. Para el tanque se requiere conocer la presión mínima y presión máxima PRESIÓN MÍNIMA La presión mínima de operación P min del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma más desfavorable y podrá ser determinada por la fórmula siguiente: 2 v P min = h + hf + + hr 2g Donde: h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido (entre el nivel de descarga del tanque al nivel mas elevado). hf = La sumatoria de todas las perdidas (tanto en tubería recta como en accesorios) que sufre el fluido desde la descarga del tanque hasta la toma mas desfavorable. 2 v = Energía cinética o presión dinámica (del mueble mas desfavorable). 2g hr = Es la presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto mas desfavorable. Para cada término: h = 7.11 m hf : descarga = altura horizontal + altura horizontal al mueble mas desfavorable hf = = 9.31 m Página 90

97 2 v : mingitorio 5 U.M. = 15 l/min = 2.5x10-4 m 3 /s 2g Diámetro φ de descarga = 19 mm = m Área = 2 πφ π (0.019) = =2.83x10-4 m 2-4 Q 2.5x10 V = = A x10 =0.88 m/s 2 2 v (0.88) = =0.039 m; 2g 2(9.81) hrd : por ser el mueble mas desfavorable el mingitorio, la presión de trabajo es de 1.09kg/cm 2 hrd =10.9 m. Sustituyendo tenemos: P min = = m La presión mínima del tanque es de kg/cm 2 Por norma sabemos que la presión máxima es de 6 kg/cm 2 La ecuación para calcular el volumen total del tanque es la siguiente: Vt= Vu %Vu /100 Tipo de ciclo de bombeo Tc (en segundos) Tc = 1hora U 1 hora = 3600s U = No. De ciclos por hora = 6 Tc = 3660s =600s 6 Página 91

98 4.4.3 VOLUMEN UTIL. Volumen útil del tanque Vu (en litros) Vu = Tc *Q 4 Q en litros por segundo Vu = 600(11.33) = l PORCENTAJE DE VOLUMEN UTIL %VU %Vu = Pmax P 90 * P max min Las presiones se escriben en presión absoluta (P atm =0.79 Kg/cm 2 ) %Vu = (6 90 * P abs = P man + P atm ) ( ) = ( ) VOLUMEN TOTAL. Sustituyendo los valores en la ecuación de volumen total, tenemos: Vt= %43.27 /100 = l Página 92

99 4.5 COTIZACION DEL PROYECTO COTIZACIÓN DE TUBERIA Precios de tubería tipo M a cargo de nacobre, tramos comerciales de tubería de 6m. DIAMETRO PRECIO (EN TRAMOS DE 6 m) (PULGADAS) 1/2 $ 592,45 3/4 $ 409,00 1 $ 592,00 1 1/4 $ 903,27 1 1/2 $ 1.281,52 2 $ 2.011,57 2 1/2 $ 3.797,05 3 $ 5.053,18 Diámetro TOTAL (m) TRAMOS COSTO TOTAL de tubería NECESARIOS (m) ½ ,785 $ ¾ ,71 $ ,2333 $ ¼ ,248 $ ½ ,06 $ ,905 $ ½ 62 10,33 $ ,7666 $ TOTAL $ Página 93

100 4.5.2 COTIZACIÓN DE ACCESORIOS MUEBLE WC $ MINGITORIO $485 LAVABO $ MATERIAL 2 Codos 90º Tubo de 1 ¼ 88 cm $ Codos 90º ¾ Tubo de ¾ long. 88 cm $88.02 Cople de cobre 1 ½ Tubo de cobre 1 ½ long. 85 cm $ REGADERA $ Tubo de ½ long cm 3 Tee ½ 3 codos de 90º ½ 1 codo de 45º ½ 2 tapones capa ½ $ TOTAL MUEBLE CANTIDAD PRECIO TOTAL INODODRO 48 $ MINGITORIO 17 $ LAVABOS 48 $ REGADERAS 24 $ COSTO TOTAL $ Página 94

101 UNIDAD DESCRIPCION PRECIO UNIT. IMPORTE $ PZA CODO C/C DE 19X PZA CODO C/C DE 25X PZA CODO C/C DE 32X PZA CODO C/C DE 38X PZA CODO C/C DE 51X PZA CODO C/C DE 64X PZA CODO C/C DE 75X PZA TEE COBRE REDUC. 51X38X PZA CODO C/C DE 25X PZA CODO C/C DE 51X PZA CRUZ COBRE DE PZA CRUZ COBRE DE PZA RETENCION HORIZ 3-T Página 95

102 4.5.3 COTIZACION DE BOMBA. BOMBA CENTRIFUGA 5502MEAU 5 H.P. 2 X 1 ½ lpm - 51 psi (36 mca) EF 52% Precio: $ 6, m.n. más IVA Modelo: 5502MEAU Línea: Bombas Centrífugas Tipo: Baja y media presión Capacidad: 328 lpm Presión: 51 psi (36 mca) Fabricante: Bombas Mejorada Características: Motobomba centrífuga Mca. Mejorada mod. 5502MEAU, Bomba centrífuga de caracol con succión frontal radialmente partida de un solo paso, impulsor de fierro gris tipo cerrado, sello mecánico con caras de cerámica y carbón tipo 6 de 1 voluta de fierro gris con succión roscada de 2 NFTF y descarga roscada de 1 ½ NPTF, válvula de purga de 1/8 NPT de latón. Acoplada directamente a motor eléctrico tipo a prueba de goteo de corriente alterna, de 5 H.P., Trifásico 220/440 volts 60 ciclos 2 polos 3500 R.P.M., con brida c Flecha JM. Página 96

103 4.5.4 COTIZACIÓN DE TANQUE HIDRONEUMÁTICO Tanque HORIZONTAL 4,000 Lts. De Acero Inoxidable Medidas 1.7 Mx 1.9M De Diámetro, Tapa Torre Esférica Con Entrada macho, Salida Cónica, Eco A 68 Precio: $40, Página 97

104 4.5.5 COTIZACIÓN DE MANO DE OBRA. SALARIOS Página 98

105 Página 99