experimentación y análisis de redes hidráulicas en

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experimentación y análisis de redes hidráulicas en
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água
João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006
EXPERIMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE REDES HIDRÁULICAS EN EDIFICACIONES
Jorge Armando Granados Robayo1
Resumen - Los sistemas de bombeo tienen una aplicación frecuente en el suministro de agua en
edificios, entregando directamente desde el tanque de reserva hasta las griferías de los usuarios. Los
controles de prendido y apagado empleados por los fabricantes de bombas, han evolucionado de tal
forma que minimizan el tamaño de los equipos, pero traen consecuencias adversas sobre tuberías y
accesorios. La medición de las fluctuaciones de presión y las recomendaciones para su control son
el objetivo de la presente investigación. Se estudian los fenómenos hidráulicos de cavitación, Golpe
de Ariete y Ciclaje de equipos de bombeo.
Abstract - The systems of pumping have a frequent application in the supply of water in buildings,
surrendering directly from the reservation tank until the fixtures of the users. The on - off controls
used by the makers of bombs, they have evolved in such a way that minimize the size of the pumps,
but they bring adverse consequences on pipes and accessories. The mensuration of the fluctuations
of pressure and the recommendations for their control are the objective of the present investigation.
The hydraulic phenomenons of cavitation, water Hammer and frecuence of starting pumps are
studied.
Palabras Clave - método de Hunter, unidades de suministro, golpe de ariete, cavitación.
1
Universidad Nacional de Colombia – Facultad de Ingeniería – Unidad Académica de Hidráulica – Bogotá
D.C. – Ciudad Universitaria Cra 30 Calle 45 Tel: 3165000 ext. 13478 E-Mail: [email protected]
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João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006
DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO CAUDAL.
FRACCIONAMIENTO DE
En una edificación se hace obligatorio instalar un sistema de bombeo debido a la diferencia de
altura respecto al tanque de reserva, a las presiones que se deben vencer en los tramos rectos de
tubería, en los accesorios y principalmente en las griferías, calentadores de agua y medidores
volumétricos.
El Caudal instantáneo requerido en un edificio se determina mediante varios métodos, entre los
cuales el más difundido es el de Unidades de Hunter, en el que se asigna un peso ponderado a cada
elemento o aparato de consumo de agua de la edificación (ver tablas 1 y.2)2
Un aspecto que se debe tener en cuenta es que la demanda en un edificio es muy variable aún dentro
de la hora pico, porque depende del número de aparatos en uso simultáneo, de su consumo, de la
presión disponible en cada salida y del tipo de grifería. Por lo anterior, se acostumbra fraccionar el
caudal calculado en dos o tres unidades, tratando de cubrir la curva de demanda de cada tipo de
edificación.
Una vez establecido el caudal pico o máximo probable, se debe fijar el otro factor relevante para la
escogencia de las bombas, que es la presión mínima de servicio. Dicha presión depende de la
combinación de elementos dentro de la vivienda como tuberías, accesorios, calentadores y griferías
El caudal máximo probable tan solo se presenta algunos instantes durante el día, sin embargo es el
que define la capacidad del sistema de bombeo.
No se justifica mantener prendido un equipo con la máxima capacidad en caudal, por lo que se
acostumbra a atender la demanda con dos o más bombas fraccionando el caudal estimado. Esto
permite que una bomba pequeña mantenga la presión a bajos caudales, logrando así un ahorro en
energía y bajo desgaste de los equipos, que son de un alto costo.
2
El método original está explicado en el texto “Hidráulica en edificaciones” Jorge Granados Robayo.
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TABLA 1. Unidades Asignadas a Diferentes Aparatos De Consumo
Aparato o
Tipo de Uso
Tipo de
Unidades
de
aparato
Grupo
Sanitario
Orinal Pedestal
Público
Público
Orinal de Pared
Público
Sanitario
Regadera Ducha
Tina
Lavamanos
Lavaplatos
Tina
Lavamanos
Sanitario
Regadera Ducha
Sanitario
Lavadora
Lavadero
Lavaplatos
Grupo de baño
Público
Público
Público
Público
Público
Hotel-Rest.
Privado
Privado
Privado
Privado
Privado
Privado
Privado
Privado
Privado
Grupo de baño
Privado
Suministro
Fluxómetro
Fluxómetro
1"
Fluxómetro
3/4"
Tanque
Mezclador
Mezclador
Mezclador
Mezclador
Tanque
Mezclador
Fluxómetro
Mezclador
Sanitario de
Fluxómetro
Sanitario de
Tanque
A. Caliente A. Fría
10
10
Total
10
10
-
5
5
3
3
1.5
3
5
3
3
1.5
3
5
4
4
2
4
1.5
0.75
1.5
2
1.5
2.25
1.5
0.75
3
1.5
6
2
3
1.5
6
2
1
3
2
6
3
3
2
8
2.25
4.5
6
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TABLA 2. Unidades De Aparato Según Método De Hunter
CAUDAL
GPM
LPS
CAUDAL
UNIDADES DE APARATO
TANQUE FLUXÓMETRO
GPM
LPS
CAUDAL
UNIDADES DE APARATO
TANQUE FLUXÓMETRO
GPM
LPS
UNIDADES DE APARATO
TANQUE FLUXÓMETRO
1
0,06
0
-
45
2,84
107
37
145
9,15
611
521
2
0,13
1
-
46
2,90
111
39
150
9,46
638
559
3
0,19
3
-
47
2,96
115
42
155
9,78
665
596
4
0,25
4
-
48
3,03
119
44
160
10,09
692
631
5
0,32
6
-
49
3,09
123
46
165
10,41
719
666
6
0,38
7
-
50
3,15
127
48
170
10,72
748
700
7
0,44
8
-
51
3,22
130
50
175
11,04
778
739
8
0,50
10
-
52
3,28
135
52
180
11,36
809
775
9
0,57
12
-
53
3,34
141
54
185
11,67
840
811
10
0,63
13
-
54
3,41
146
57
190
11,99
874
850
11
0,69
15
-
55
3,47
151
60
200
12,62
945
931
12
0,76
16
-
56
3,53
155
63
210
13,25
1018
1009
13
0,82
18
-
57
3,60
160
66
220
13,88
1091
1091
14
0,88
20
-
58
3,66
165
69
230
14,51
1173
1173
15
0,95
21
-
59
3,72
170
73
240
15,14
1254
1254
16
1,01
23
-
60
3,79
175
76
250
15,77
1335
1335
17
1,07
24
-
62
3,91
185
82
260
16,40
1418
1418
18
1,14
26
-
64
4,04
195
88
270
17,03
1500
1500
19
1,20
28
-
66
4,16
205
95
280
17,66
1583
1583
20
1,26
30
-
68
4,29
215
102
290
18,29
1668
1668
21
1,32
32
-
70
4,42
225
108
300
18,93
1755
1755
22
1,39
34
5
72
4,54
236
116
310
19,56
1845
1845
23
1,45
36
6
74
4,67
245
124
320
20,19
1926
1926
24
1,51
39
7
76
4,79
254
132
330
20,82
2018
2018
25
1,58
42
8
78
4,92
264
140
340
21,45
2110
2110
26
1,64
44
9
80
5,05
275
148
350
22,08
2204
2204
27
1,70
46
10
82
5,17
284
158
360
22,71
2298
2298
28
1,77
49
11
84
5,30
294
168
370
23,34
2388
2388
29
1,83
51
12
86
5,43
305
176
380
23,97
2480
2480
30
1,89
54
13
88
5,55
315
186
390
24,60
2575
2575
31
1,96
56
14
90
5,68
326
195
400
25,23
2670
2670
32
2,02
58
15
92
5,80
337
205
410
25,86
2765
2765
33
2,08
60
16
94
5,93
348
214
420
26,50
2862
2862
34
2,14
63
18
96
6,06
359
223
430
27,13
2960
2960
35
2,21
66
20
98
6,18
370
234
440
27,76
3060
3060
36
2,27
69
21
100
6,31
380
245
450
28,39
3150
3150
37
2,33
74
23
105
6,62
406
270
500
31,54
3620
3620
38
2,40
78
25
110
6,94
431
295
550
34,70
4070
4070
39
2,46
83
26
115
7,25
455
329
600
37,85
4480
4480
40
2,52
86
28
120
7,57
479
365
700
44,16
5380
5380
41
2,59
90
30
125
7,89
506
396
800
50,47
6280
6280
42
2,65
95
31
130
8,20
533
430
900
56,78
7280
7280
43
44
2,71
2,78
99
103
33
35
135
140
8,52
8,83
559
585
460
490
1000
63,08
8300
8300
Tabla 3. Fraccionamiento del Caudal
TIPO DE USO
Apartamentos y oficinas
Hoteles
Colegios
Hospitales
Industrias
Municipales
PROCENTAJE DEL CAUDAL MAXIMO PROBABLE
CAUDAL < 250 GPM
CAUDAL 250-500 GPM
50/50
20/40/40
65/65
30/40/40
50/50
20/40/40
70/70
30/70/70
65/65
20/50/50
70/70
20/50/50
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A
LA
RE
BOMBAS CENTRÍFUGAS
50/50
65/65
70/70
D
VÁLVULA
FLOTADOR
CHEQUE
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
BOMBA 1
BOMBA 2
VÁLVULA
DE PIE
BASE DE CONCRETO
Figura 1. Instalación de dos bombas en paralelo para fraccionamiento del caudal
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A
LA
BOMBAS CENTRIFUGAS
20/40/40
30/40/40
30/70/70
20/50/50
RE
D
VÁLVULA
CHEQUE
FLOTADOR
BASE DE CONCRETO
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
BOMBA 3
BOMBA 2
BOMBA 1
VÁLVULA
DE PIE
Figura 2. Instalación de tres bombas en paralelo para fraccionamiento del caudal
PRENDIDO INTERMITENTE DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
Existen problemas de tipo técnico en la operación de equipos de bombeo en cuanto a
controlar el instante en que se deben prender y apagar los mismos para que coincidan con la
curva de demanda de la edificación.
La curva característica cabeza dinámica total contra caudal de las bombas centrífugas,
presenta una relación definida obedece a la forma:
H = d + b ∗ Q + c ∗ Q2
(1)
en donde los valores d, b y c son propios de cada bomba, se puede saber el caudal si se
conoce la cabeza o la presión en un punto cercano a la descarga de la bomba. Si a una bomba
se le exige un alto caudal, la presión se reduce ocasionando deficiencias en los servicios.
Basándose en esta propiedad, los fabricantes controlan la prendida de la segunda o tercera
bomba cuando la presión desciende a un valor que no debe ser menor al calculado para el
servicio más desfavorable del apartamento crítico del edificio. El problema continúa para la
primera bomba que se denomina “jockey” o “líder”, porque al apagarla se despresurizaría la
red.
El sistema más conocido y aplicado para solucionar los inconvenientes mencionados es el
denominado “hidroneumático” que se basa en conectar un tanque parcialmente ocupado por
aire (a presión atmosférica o a la presión de diseño según el modelo) que reciba agua de la
bomba simultáneamente con la operación de los servicios, aumentando la presión interna a
medida que el agua disminuye la cámara de aire, dependiendo del punto de funcionamiento
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dentro de la curva de la bomba. Si la demanda es alta, la presión es baja pero si la demanda
disminuye, la presión aumenta hasta llegar a un valor de caudal mínimo en que se puede
apagar. En este instante, el agua dentro del tanque queda a la presión máxima ofrecida por la
bomba y podría expulsar agua para atender esas demandas bajas.
Cuando el aire se expande, la presión disminuye y la bomba debe prenderse nuevamente.
Como resultado, la bomba está cambiando su punto de operación constantemente desde A
hasta B en la figura 3.
160
C
ALTURA DINÁMICA TOTAL (psi)
140
120
B
100
A
80
60
40
VP 135 - 6.6 TRIF
6 ETAPAS
20
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
CAUDAL (GPM)
BOMBA VERTICAL TIPO TURBINA
DE SEIS IMPULSORES EN SERIE
Figura 3. Bomba multietapas usada en sistemas con hidroneumático.
Como se aprecia en la figura 3, si la presión mínima calculada corresponde a 80 psi. , la
presión de apagada se deja unos 20 psi. por encima, o sea en este caso en 100 psi. Si la
demanda aumenta de 62 galones por minuto (punto en la curva correspondiente a 80 psi), la
bomba ofrece menos de 80 psi de cabeza y se debe apoyar con una segunda bomba para
atender el exceso de la demanda y si entre las dos no pueden sostener la presión mínima
calculada (80 psi) se debe prender una tercera.
Es importante hacer una buena elección del fraccionamiento del caudal de diseño por las
siguientes razones:
−
−
−
−
Bajo costo de operación.
Operación más silenciosa.
Provisión para el caso de mantenimiento.
Optimización del sistema.
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− Regulación de la frecuencia y duración de los ciclos en periodos de bajo flujo.
Para este tipo de diseño con fraccionamiento de caudal, en el que se usa hidroacumulador,
éste se debe diseñar para la primera bomba, las otras bombas arrancan por señal de presóstato
debido a la baja presión por aumento de consumo.
Otro aspecto relevante para hacer el fraccionamiento de caudal, es el número máximo de
prendidas por hora que depende de la potencia de los motores. Motores pequeños resisten
mayor número de prendidas y motores grandes limitan el encendido y apagado permanente
de las bombas debido al sobrecalentamiento de los motores. La tabla 4 presenta los valores
recomendados.
Tabla 4. Número de arranque por hora Vs. Potencia del motor
POTENCIA
TIEMPO ENTRE DOS
NUMERO DE
H.P.
ARRANQUES SUCESIVOS ARRANQUES/HORA
(min)
1-3
1.2
50
3-5
1.8
33
5-7.5
2.0
30
7.5-15
3.0
20
15-30
4.0
15
Más de 30
6.0
10
La descripción gráfica completa de esta operación se explica a continuación:
SISTEMAS CON HIDRONEUMÁTICOS PRECARGADOS.
Con el fin de acabar con los inconvenientes que significa el contacto directo agua-aire en la
pérdida de volumen de este último y por consiguiente el efecto de regulación entre prendida y
apagado, se han diseñado sistemas hidroacumuladores, los cuales constan de una bolsa de
Neopreno-laminado, la cual recibirá el agua y entre su entorno y el tanque metálico el aire a
presión determinada.
Su función es mantener a presión constante la red de tuberías durante el tiempo en el cual la
demanda es escasa, el fluido debe ser suministrado por el sistema de bombeo de tal manera
que se garantice el tiempo entre dos encendidas consecutivas de la bomba. El funcionamiento
del tanque se presenta en la figura No. 4.
Una variación importante a los equipos con hidroneumático es restringir la entrada del agua al
hidroacumulador proveniente de la bomba, colocando un cheque tipo cortina con un pequeño
orificio que demora la entrada del agua cuando la bomba está prendida y permite la salida
rápida cuando ésta se apaga. (Ver figura 6).
Funciona como un temporizador hidráulico, disminuyendo el número de prendidas por hora
de la bomba líder (“jockey”). Los fabricantes recurren a este truco para disminuir el tamaño
de los tanques (ver figura 6).
Otra alternativa usada es alternar las bombas en los sistemas dúplex o triplex, con lo que se
disminuye el tiempo entre prendidas (o se aumenta en número de arranques por hora) sin que
recaigan sobre el mismo motor.
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AIRE
AIRE
AIRE
AGUA
AGUA
MEMBRANA
PRECARGA INICIAL
ENTRADA DEL AGUA AL TANQUE
AIRE
LA BOMBA TERMINA UN CICLO
AIRE
AGUA
SALIDA DE AGUA DEL TANQUE
MEMBRANA VACÍA
Figura 4. Funcionamiento del hidroneumático precargado.
TORNILLO
AJUSTE TAPA
TAPÓN 1/4" NPT
TORNILLO
AJUSTE
TAPA
INTERRUPTOR
DE MERCURIO
SALIDA
CABLES
FLECHA DIRECCIÓN
DEL FLUJO
TUERCA
PALETA
PEQUEÑA
FL
UJ
O
PALETA
GRANDE
Figura 5- Interruptor por flujo para la segunda o tercera bomba en un sistema con
hidroneumático.
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Como se explicó anteriormente hay una relación directa entre caudal y presión en las bombas
centrífugas. Un arreglo que se ha intentado es prender la primera bomba por presión y la
segunda y tercera cuando existen, por caudal, con ayuda de un detector de flujo similar al de
la figura 5. El valor de velocidad que acciona el interruptor está relacionado con la longitud
de la paleta.
MI
SU
O
TR
NIS
R
PO
EO
MB
BO
AP
S
ISO
CIO
IFI
ED
OS
T
AL
HIERRO GALVANIZADO
.
.C
P.V
VÁLVULA REGULADORA
DE PRESIÓN
FLOTADOR
MECÁNICO
O
ER
AC
O
RO
ER
HI
DO
IZA
AN
LV
A
G
V
CHEQUE TIPO HIDRO
IE
EP
AD
UL
V
ÁL
VÁLVULA
PARA VACIADO DE TANQUE
UNIÓN ANTIVIBRATORIA
HIDRONEUMÁTICO
PRECARGADO
.C.
P.V
FLOTADOR DE MERCURIO
E
QU
AN
ET
D
.
.C
NE
P.V
VIE
JO
BA
BOMBA 3
PARA CONTROL DE PRENDIDA Y
APAGADO DE LA BOMBA EN SÓTANO
BOMBA 2
PRESOSTATOS
CHEQUE PERFORADO
BOMBA 1
O
ER
AC
FLOTADOR DE MERCURIO
PARA PROTECCIÓN POR BAJO NIVEL
BOMBA JOCKEY
SUMINISTRO POR GRAVEDAD
.C.
P .V
A PISOS BAJOS DEL EDIFICIO
Figura 6. Disposición de elementos en un sistema controlado por hidroneumático precargado
(hidroacumulador)
CONSECUENCIAS DE PRENDER Y APAGAR UN SISTEMA DE BOMBEO.
Existe un fenómeno conocido como golpe de ariete en sistemas de bombeo, ocasionado por el
arranque y por la parada repentina de los motores, acción que se trata de efectuar al mínimo
posible, salvo por fallas en la corriente o como caso extraño en la alimentación de edificios.
Para una sola bomba, se muestra un ejemplo de cálculo de las presiones generadas por la falla
en la energía eléctrica o por la suspensión del bombeo.
Datos :
Bombeo de tanque bajo a tanque alto.
Diferencia de altura: 53.28 m
Caudal: 16.2 l/s (257 gal/min.)
Longitud: 600 m
Diámetro: 6” PVC Unión Z RDE 26 (Diámetro interno: 6.115” o 0.155 m)
Módulo de elasticidad de la tubería: 2.81 x 10-4 Kg./cm².
Longitud equivalente de accesorios: 68.3 m
Longitud total: 668.3 m
Pérdidas por fricción: 668.3 x h%
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3×10 ×100 × Q
h% =
=0.48%
C × (0.155)
−5
1.85
(2)
4.866
1.85
Pérdidas por fricción: 668.3 x 0.48% = 3.23m.
Altura dinámica de bombeo: 53.28+3.23=56.61
La bomba escogida por el proyectista fue la 3LR9 de INGERSOL DRESSER PUMPS a
no=3500 rpm
H
Ho
H=d+bQ+CQ²
d
Q=257GPM
Q
Figura 7. Curva aproximada de la bomba usada en el ejemplo.
Para la bomba 3LR9 de INGERSOL DRESSER PUMAS La situación definitiva es la
siguiente:
H
Hmáx =
Ho =
Hmín=
to = 0.95
3.79
2T = 7.58
T
Figura 8. Onda generada por interrupción del bombeo.
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Verificando la cota de la tubería en X=449m., Se presenta un riesgo de colapso ya que la Hmín
estará por debajo del eje de la tubería en (47.6-28.2)=19.4 generando una presión negativa de
(-19.4m.)que lógicamente no es posible (la máxima presión sería de –7.0 m.
aproximadamente). Se presentará cavitación en la tubería y gran probabilidad de colapso
(falla por aplastamiento).
Hmáx
27.8
27.8
Ho
Hmín
9m.
X=44
Figura 9. Sobrepresión y subpresión generada en la tubería por la interrupción del bombeo.
COMPARACIÓN CON EL CÁLCULO A TRAVÉS DE UN PROGRAMA DE
COMPUTADOR.
Figura 10. Recorrido de la tubería.
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Figura 11. Efecto del golpe de ariete por interrupción de la energía.
Figura 12. Comportamiento de presiones a la salida del equipo de bombeo.
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Figura 13. Optimización del sistema con un hidroneumático de veinte (20) pies cúbicos de
capacidad.
Figura 14. Condición final de presiones en la descarga del equipo de bombeo, con el control
por medio de hidroneumático.
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INVESTIGACIÓN SOBRE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO EN
EDIFICACIONES DESTINADAS A VIVIENDA Y OFICINAS.
Conocido el comportamiento de presiones en paradas y arranques de los sistemas de bombeo,
se entró a investigar la presencia de este fenómeno en los equipos de edificios con el objeto de
encontrar la causa de la rotura de tuberías y accesorios de PVC.
En el seguimiento hecho a varios edificios con equipos de dos y tres motobombas instaladas
en paralelo y controladas por hidroacumuladores, se notó que la primera bomba se prendía
constantemente y que el tiempo de descanso era mínimo. Por ejemplo 2 minutos de operación
y 10 segundos de descanso, lo que daba aproximadamente 28 arranques por hora. Por otra
parte, rara vez entraba la segunda bomba y por consiguiente nunca entraba la tercera.
TANQUE HIDRONEUMATICO
CON MEMBRANA DE NEOPRENO
PRESOSTATOS
CHEQUE PERFORADO
BOMBA 3
BOMBA LÍDER O "JOCKEY"
BOMBA 2
ESQUEMA TÍPICO EQUIPO DE BOMBEO
CON BOMBA "JOCKEY" Y BOMBAS DE APOYO
Figura 15. Bombas de diferentes características en paralelo.
VARIACIONES DE PRESIÓN.
Un aspecto en lo que coincidieron los usuarios, fue la variación brusca del caudal y de la
temperatura en las griferías y lo más importante y de mayor trascendencia era la rotura de
tuberías y accesorios, especialmente en las redes principales que van por ductos en los
edificios.
Para tratar de comprender los fenómenos que se presentan en los edificios, se adelantó una
investigación completa de tiempos de operación y presiones instantáneas generadas por las
bombas, con ayuda de un equipo compuesto por un transductor de presiones de alta velocidad
de respuesta (envía datos cada 50 milésimas de segundo), un registrador analógico y digital y
una interfase para computador. El registro se hace en forma continua y se almacena la
información directamente en el computador.
En las gráficas siguientes se muestra la configuración del equipo y una de las instalaciones en
donde se hicieron mediciones.
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A LA ENERGIA 110/220V.
AN
YW
AV
E
INTERFASE
RC - 232
TRANSDUCTOR
350 mV
COMPUTADOR
Y SOFTWARE
Off
OSCILOSCOPIO
FLUKE 97
C
K pa MH
/psi GHN
HG
Figura 16. Equipo Fluke para medición de las variaciones de presión en un sistema hidráulico
INFORMACIÓN OBTENIDA.
El registro en todos los edificios fue similar. Se ilustra en la figura 18 el que se considera más
representativo. Los valores en las abscisas corresponden al tiempo de medición y en las
ordenadas a la presión instantánea registrada en la línea de descarga en el cuarto de bombas.
A LA RED DE
DISTRIBUCION
A SERVICIOS
COMUNALES
A LA RED DE
DISTRIBUCION
HIDRONEUMATICOS
ACOMETIDA
ACUEDUCTO
BOMBA 3
BOMBA 2
CONEXION
EQUIPO FLUKE
DESCARGA
A POZO
BOMBA 1
SUCCION
Figura 17. Cuarto de bombas del edificio tomado como referencia.
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TIEMPO ACUMULADO DE MEDICION = 8 Horas
EN LA GRAFICA SE APRECIA EL CICLAJE DEL EQUIPO DURANTE UN TIEMPO DE 500 SEG.
APAGA BOMBA
153 PSI
DESCENSO BRUSCO
PRENDE BOMBA
t = 72 SEG
P = 81 psi
72 PSI
Figura 18. Imagen obtenida experimentalmente en la descarga de un equipo de bombeo.
La primera conclusión importante que se obtiene de la investigación es que las presiones de
apagado y prendido del equipo, no cumplen el rango de 20 p.s.i. para los cuales vienen
calibrados los presóstatos y que indican los manómetros colocados en el tanque
hidroneumático. Se espera que la bomba funcione entre los puntos A y B de la gráfica. En la
realidad la presión cambia desde A hasta C en ascenso y luego en descenso tal como lo indica
la medición representada en la Figura 3.
La segunda observación relevante es que el cheque perforado a la entrada del
hidroacumulador impide la comunicación rápida de la presión dada por la bomba, protegiendo
la bolsa de neopreno por aumento repentino de volumen, pero a la vez está obligando a que la
bomba trabaje en un rango de presiones más amplio, yéndose hasta muy cerca al punto de
cierre (máxima presión a caudal cero). Como los presóstatos que dan señales a las bombas se
conectan aguas abajo del cheque perforado o en la zona de aire del hidroneumático, las
presiones registradas son diferentes a las presentadas en la red. Para el ejemplo mostrado, se
obtiene como consecuencia de dicho arreglo, un rango de presiones entre prendido y apagado
de 81 p.s.i. que se transmite a toda la red de tuberías. (Ver Figura 3 para rango de presiones de
la bomba “jockey” y figuras 19 y 20 para operación del hidroneumático).
Otra información que suministra el gráfico es que el ciclaje o número de prendidas por hora
es muy alto, con un tiempo entre prendidas sucesivas de 72 segundos, que supera el máximo
permitido para la potencia de los motores instalados.
Otra consecuencia perjudicial para las redes en este tipo de equipo, es que se produce un
descenso brusco de la presión, inmediatamente después del apagado en cada ciclo,
correspondiente al reemplazo de la bomba por el hidroneumático en la tarea de suministrar
caudal.
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Cuando la bomba está prendida la presión llega hasta el punto C de la curva característica de
la Figura 3 con una pendiente positiva fuerte pero una vez se apaga la bomba, el descenso en
la gráfica experimental es prácticamente vertical (cambio de presión en un décimas de
segundo), por efecto de las pérdidas desde el hidroneumático hasta la red principal a través de
un tramo de diámetro muy pequeño y con varios accesorios. (Ver Figuras 17,19 y 20).
En la figura 19, la condición de suministro desde la bomba envía agua a la red de servicios de
acuerdo con la demanda y simultáneamente al hidroneumático con un caudal muy bajo por la
restricción de entrada causada por el cheque perforado.
En la figura 20, el agua proviene solamente del hidroneumático, levantando totalmente la
compuerta del cheque y venciendo pérdidas por fricción y por accesorios hasta el múltiple de
las bombas.
Todo lo anterior conduce a cambios bruscos y continuos de la presión, que inducen fatiga en
el material, especialmente en los cambios de dirección como Tees y Codos por la
concentración de esfuerzos en bordes y esquinas con ángulos de desarrollo muy bajos. Esta
característica es propia de los materiales de PVC con accesorios soldados.
La influencia del cambio de presión se puede analizar mediante la ecuación de todo elemento
elástico:
σ = E ∗ε
(3)
σ : Esfuerzo generado en la tubería (directamente proporcional a la presión).
E : Módulo de elasticidad de la tubería (Constante para un determinado material).
ε : Deformación unitaria. (Cambio de dimensión en el radio o en la longitud de la tubería).
Como se aprecia en esta relación sencilla, la deformación de la tubería obedece a una gráfica
similar a la de presiones por existir una linealidad en las variables.
Por otra parte, el caudal en la instalación se ve también afectado según la relación discutida
en el capítulo de accesorios:
Q=K∗ P
(4)
La constante K depende de la longitud de la tubería, de su diámetro, de los accesorios y de los
equipos conectados en serie con los anteriores. Por lo tanto, las redes de agua fría que tienen
una combinación favorable, cambiarán el caudal en una cifra mayor que las de agua caliente
que contienen más restricciones. La mezcla en las duchas variará con la misma rapidez que la
oscilación de presiones y por consiguiente la temperatura.
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OSCILOSCOPIO
FLUKE 97
BOMBA PRENDIDA
HACIA SERVICIO USUARIOS
A TABLERO DE
CONTROL
AIRE
PRESOSTATO
AGUA
CHEQUE PERFORADO
Figura 19. Condición de la red con bomba prendida.
OSCILOSCOPIO
FLUKE 97
BOMBA APAGADA
HACIA SERVICIO USUARIOS
A TABLERO DE
CONTROL
AIRE
PRESOSTATO
AGUA
CHEQUE PERFORADO
Figura 20. Suministro a la red desde el hidroneumático.
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De todos los efectos mencionados, el más grave es la rotura de accesorios por fatiga en los
cambios de dirección.
Para minimizar toda la cadena de consecuencias nefastas, se debe tratar de manejar presiones
constantes para diferentes caudales y a diferentes horas del día. Una primera opción es usar
bombas con curvas planas (Cabeza aproximadamente constante para varios caudales), pero
en ese caso, el control por presóstato deja de ser eficiente y adicionalmente no existe un
variedad suficiente de bombas para cubrir las diferentes demandas de caudal y presión.
Por esta razón, las bombas más usadas son las multietapas o las que tengan curvas inclinadas
descendentes porque ofrecen un rango de presiones alto para los caudales de diseño.
Se notó además que el 90% del tiempo trabajó solo la bomba “jockey” o líder, indicando que
los sistemas están sobredimensionados.
Los ensayos se convirtieron en una herramienta clave para identificar y justificar los
fenómenos que se presentan en las redes con sistemas de bombeo.
A pesar del gran conocimiento que se obtuvo con estas pruebas, se percibe la necesidad de
continuar las investigaciones y proponer sistemas de bombeo que realmente funcionen y
eviten los problemas detectados.
SOLUCIONES Y RECOMENDACIONES.
Una vez conocidas las causas de los problemas de rotura de tuberías y accesorios, se
continuaron los ensayos a nivel de laboratorio orientados a controlar la fluctuación de presión.
Las válvulas que ofrecieron una alternativa de solución, fueron las reguladoras de presión con
un sistema de control mecánico (mediante un resorte regulable) para mantener la presión
constante aguas abajo sin ser afectada por la fluctuación aguas arriba.
TORNILLO DE REGULACIÓN
RESORTE ESCOGIDO
PARA UN RANGO DE PRESIONES
MEMBRANA DE
NEOPRENO
ENTRADA
SALIDA
ESTRIBO
VÁLVULA DE CIERRE
Figura 21. Partes constitutivas de una válvula reguladora de presión sencilla.
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En la figura 17, se puede suponer una válvula calibrada para una salida de 60 psi. La
membrana está sometida en toda su superficie a una presión de 60 psi. Recibe por lo tanto una
fuerza orientada de abajo hacia arriba, proporcional a dicha presión y a la superficie de la
membrana. Esta fuerza está equilibrada por el muelle o resorte situado del otro lado de la
membrana. Cuando no hay flujo, o sea que ningún grifo está abierto en la salida, el equilibrio
se mantiene: 80 psi o más en la entrada, 60 psi en la salida.
SALIDA
ENTRADA
ZONA DE ALTA
PRESIÓN
ZONA DE BAJA
PRESIÓN
CONDICIÓN DE FLUJO MÍNIMO
SALIDA
ENTRADA
ZONA DE ALTA
PRESIÓN
ZONA DE BAJA
PRESIÓN
CONDICIÓN DE FLUJO MÁXIMO
Figura 22. Principio de operación de una válvula reguladora de presión.
Cuando se abre un grifo, la presión de salida tiende a bajar ligeramente. La fuerza
comunicada por la presión a la membrana resulta entonces inferior a la fuerza aplicada por el
resorte, la membrana se deforma y con ella bajan el estribo y la válvula de cierre. Esta última,
se separa de su asiento y permite la circulación del agua. Cuando se vuelve a cerrar el grifo, la
presión de salida vuelve a su valor inicial, o sea 60 psi. La presión por debajo y el muelle por
encima de la membrana equilibran sus fuerzas, la válvula de cierre vuelve a su punto inicial
de posición cerrada.El funcionamiento de las reguladoras es muy sencillo. No existe ningún
elemento de compensación que pueda producir fricciones causantes de incrustaciones,
desgaste o atascamiento.
Para aumentar la presión de salida, se debe apretar el tornillo de regulación. Para disminuirla,
aflojar al máximo y provocar una pequeña circulación a la salida de la reguladora. Cerrar el
grifo y apretar entonces el tornillo hasta conseguir la presión deseada. La presión en la salida
no rebasa nunca el valor marcado por el reglaje, aún cuando no haya circulación. La
regulación se mantiene en presión estática. En el sentido contrario de circulación, la
reguladora se comporta como una válvula de retención (cheque), bloqueando las contra
presiones existentes en el circuito posterior a la válvula.
Estas válvulas deberían ubicarse en el último tramo de salida del equipo de bombeo,
permitiendo la fluctuación aguas arriba para la operación del control por hidroneumático pero
controlando la presión aguas abajo para protección de toda la red de distribución.
Para diámetros grandes, se hace un arreglo de dos válvulas en paralelo, usando una reguladora
como piloto para mover la válvula principal. (Ver figura 23).
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Figura.23. Válvula reguladora de presión pilotada para caudales altos.
ENSAYOS DE LABORATORIO.
Se adelantaron pruebas a algunas válvulas a nivel de laboratorio, midiendo la presión aguas
arriba de la válvula y luego aguas debajo de la misma. Los resultados fueron satisfactorios y
se empezaron a aplicar en los edificios investigados, eliminando las fluctuaciones de presión
y sus consecuencias. Sin embargo, las mediciones en sitio deben continuar para comprobar la
eficiencia y durabilidad de las válvulas y sus componentes.
En las figuras siguientes, se presentan los ensayos efectuados en el Laboratorio de Hidráulica
de la Universidad Nacional.
COMPORTAMIENTO DE PRESIONES AGUAS ARRIBA DE LA VÁLVULA
200 PSI
ANTES DE LA VÁLVULA
P = 145 psi
REGULADORA DE PRESIÓN
20 PSI
T = 216 seg.
Figura 24. Ensayo de una válvula reguladora de presión. Fluctuación en la zona no regulada.
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COMPORTAMIENTO DE PRESIONES AGUAS ABAJO DE LA VALVULA
45 PSI
P = 6.34 psi
38.66 PSI
DESPUES DE LA VALVULA
REGULADORA DE PRESION
T = 216 seg.
Figura 25. Ensayo de la misma válvula reguladora de presión de la figura anterior.
Fluctuación en la zona regulada.
Otras soluciones para optimizar equipos de bombeo se encuentran en estudio bajo la dirección
y coordinación del autor y su objetivo es actuar sobre el motor, mediante un variador
electrónico de frecuencia que permita controlar las revoluciones por minuto del motor
manteniendo la presión constante en la salida. Se espera obtener las ventajas de las válvulas
reguladoras de presión y además disminuir el consumo de energía de los equipos.

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