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• Christian Alzamora

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CALCULO DEL SISTEMA INDIRECTO DIMENSIONAMIENTO DE CISTERNA Y TANQUE ELEVADO

Para dimensionar la cisterna y el tanque elevado se considerará lo siguiente:

1. Los depósitos de agua deberán ser diseñados y construidos en forma tal que preserven la calidad del agua.

2. Toda edificación ubicada en sectores donde el abastecimiento de agua pública no sea

continuo

o

carezca

de

presión

suficiente,

deberá

estar

provisto

obligatoriamente de depósitos de almacenamiento que permitan el suministro adecuado a todas las instalaciones previstas. Tales depósitos podrán instalarse en la parte baja (cisternas) en pisos intermedios o sobre la edificación (tanque elevado).

3. Cuando sólo exista tanque elevado, su capacidad será como mínimo igual a la dotación diaria, con un volumen no menor a 1000 L.

Usar el mayor valor

4. Cuando sólo exista cisterna, su capacidad será como mínimo igual a la dotación diaria, con un volumen no menor de 1000 L.

Usar el mayor valor

5. Cuando sea necesario emplear una combinación de cisterna, bombas de elevación y tanque elevado, la capacidad de la primera no será menor de las ¾ partes de la dotación diaria y la del segundo no menor de 1/3 de dicha volumen.

6. En caso de utilizar sistemas hidroneumáticos, el volumen mínimo será igual al consumo diario con un volumen mínimo de 1000L.

7. Los depósitos de almacenamiento deberán ser construidos de material resistente y paredes impermeabilizadas y estarán dotados de los dispositivos necesarios para su correcta operación y mantenimiento.

8. Las cisternas deberán ubicarse a una distancia mínima de 1m de muros medianeros y desagües. En caso de no poder cumplir con la distancia mínima, se diseñará un sistema de protección que evite la posible contaminación del agua de la cisterna. 9. La distancia vertical entre el techo del depósito y el eje del tubo de entrada de agua, dependerá del diámetro de este y de los dispositivos de control, no pudiendo ser menor de 0,20 m.

10. La distancia vertical entre los ejes de tubos de rebose y entrada de agua será igual al doble del diámetro del primero y en ningún caso menor de 0,15 m.

11. EL diámetro del tubo de rebose, se calculará hidráulicamente, no debiendo ser menor que: Capacidad del depósito (L) Hasta 5000 5001 a 12000 12001 a 30000 Mayor de 30000

Diámetro del tubo de rebose 50 mm (2") 75 mm (3") 100 mm (4") 150 mm (6")

12. El diámetro de la tubería de alimentación se calculará para garantizar el volumen mínimo de almacenamiento diario.

13. El control de los niveles de agua en los depósitos, se hará por medio de interruptores automáticos que permitan: 

Arrancar la bomba cuando el nivel de agua en el tanque elevado, descienda hasta la mitad de la altura útil.



Parar la bomba cuando el nivel de agua en el tanque elevado, ascienda hasta el nivel máximo previsto.



Parar la bomba cuando el nivel de agua en la cisterna descienda hasta 0,05 m por encima de la parte superior de la canastilla de succión.



En los depósitos que se alimentan directamente de la red pública deberá colocarse control del nivel.

14. La capacidad adicional de los depósitos de almacenamiento para los fines de control de incendios, deberá ser de 25 m3.

15. La tubería de aducción o de impulsión al tanque de almacenamiento deberá estar a 0,10 m por lo menos por encima de la parte superior de las correspondientes tuberías de rebose.

CALCULO DE LOS VOLUMENES DE LA CISTERNA Y TANQUE ELEVADO

El volumen de almacenamiento total para un edificio o una casa; se calcula para un día de consumo. En un sistema indirecto este volumen debe estar almacenado en la cisterna y tanque elevado. El Reglamento Nacional de Construcciones, especifica, que el volumen mínimo que se puede almacenar en la cisterna debe ser ¾ del volumen de consumo diario y 1/3 debe estar en el tanque elevado; para un consumo minimo de 1 m 3 para ambos.

Resumiendo todo lo dicho tenemos:

Donde: VA=Volumen de Almacenamiento VCD=Volumen de consumo diario

EJEMPLO:

Tenemos una casa de 4 habitaciones y un cuarto de servicio y supongamos 2 personas por habitación. Calcular el volumen de cisterna y el tanque elevado.

Solución:

4 habitaciones X 2 personas = 8 personas 1 cuarto serv. X 2 personas = 2 personas ------------------------------------------TOTAL = 10 PERSONAS. Suponiendo un consumo de 300 lt/per/dia residencial. VCD = 300 x 10  VCD = 3000 lt/per/dia Por lo tanto:  El volumen de cisterna (Vc) =3/4 x (3000) Vc = 2250 litros.  Volumen del tanque elevado (VTE ) = 1/3 x (3000) (VTE ) = 1000 litros.

“El volumen mínimo de una cisterna y tanque elevado debe ser 1m3 (1000 L)”.

CALCULO DEL EQUIPO DE BOMBEO

 Nos interesa conocer el número de H.P. a utilizar.

H.P. =

Qb x HDT 75 n

Unidades métricas

Dónde: Qb = Caudal de bombeo ( Lit / seg.) HDT = Altura dinámica total. (m.) n= Eficiencia de la bomba (0.5 a 0.6)

1 H.P. = 736 Watts

Unidades inglesas

H.P. =

Qb x HDT 3960 n

Dónde: Qb = Caudal de bombeo (gal / min.) HDT = Altura dinámica total. (pies) n = Eficiencia de la bomba

DISEÑO DE LA CISTERNA

Hay que tomar en cuenta si se trata de residencias o de edificios de poca altura y de grandes alturas. Caso de residencias o edificios de poca altura Consideraciones a tomar en cuenta: a) Ubicación:Pueden estar ubicados en patios interiores, jardines interiores, etc. Se debe procurar que la cisterna este en un mismo plano que el tanque elevado. b) Relación entre ancho y largo:Se recomienda que sea 1:2 ninguna manera de sección cuadrada. La altura de recomienda que no sea mayor de 2 ó 2.5 m. La cisterna material resistente e impermeable y dotado de los necesarios para su correcta operación, mantenimiento y recomienda que sea de concreto armado. INSPECCION

3 V C = V CD 4 V C =bxHu=LxAxHu Hu=

Vc LxA

Dónde: Hu =

altura útil

ó 1:2 ½, de succión se debe ser de dispositivos limpieza. Se

L = A = HL =

largo de la base ancho de la base altura libre

c) Conexiones de la cisterna: 1. Debe tener una válvula de interrupción entre dos uniones universales, esta llave deberá estar ubicada preferentemente cerca de la cisterna. 2. Tubería de succión.- Debe ser menor de 2m. y su diámetro debe ser superior al de impulsión. 3. Rebose.- Se coloca al nivel de agua máxima, para que en caso de malograrse la válvula flotador, el agua tenga sitio donde ir. El diámetro mínimo del tubo de rebose a instalarse deberá estar de acuerdo con la tabla 3.1. El agua proveniente de los tanques, deberá dispersarse al sistema de desagüe del edificio en forma indirecta mediante brecha o interruptor de aire de 5 cm. De altura sobre el fijo, techo u otro sitio de descarga.

Válvula de pie.- Es una válvula que debe estar siempre cerrada. NOTA.  La distancia vertical entre los ejes de los tubos de rebose y entrada de agua, será igual al doble del diámetro del primero y en ningún caso menor de 15 cms.  La distancia vertical entre el eje del tubo de rebose y el mínimo nivel de agua será igual al diámetro de aquel y nunca inferior a 10 cm. NOTA: Es conveniente dar al fondo de la cisterna una pendiente de 28 a 32. Puede ser también plana, con una hendidura de unos 20 x 20 a30 cm. Tal como se indica en la Fig. 3.8.

El circuito eléctrico que se pone, debe estar en una cajita en el interior de la cisterna, para controlar los niveles en los tanques; esto se hará utilizando interruptores automáticos que permiten: a) Arrancar la bomba, cuando el nivel de agua en el tanque elevado desciende hasta la mitad de su altura útil. b) Para la bomba, cuando el nivel del agua en el tanque elevado asciende hasta el nivel máximo previsto. c) Parar la bomba, cuando el nivel del agua en la cisterna desciende hasta 0.05 m., por encima de la canastilla de succión. 

Cisterna para grandes edificios Consideraciones a tener en cuenta a) Ubicación: Cuando el edificio es de más de 4 pisos, se coloca sótanos, zonas de estacionamiento bajo cajas de escaleras, cerca de la caja de ascensores; de preferencia en el mismo plano vertical que se encuentra al tanque elevado. b) Diseño: La dimensión de la cisterna depende del área disponible que se tenga. Una relación recomendable es: A/L=2/3 Se debe tratar de lograr al menos altura de succión. Vc = L x A x Hu Dónde: Vc = Volúmen de la cisterna L

= Largo de la base

A = Ancho de la base Hu = Altura útil Hl = Altura libre

La tapa de la cisterna debe ser del tipo sanitaria y de una dimensión de 0.60 x 0.60, que nos permite la inspección. Al costado de la cisterna, deberá ir un cuarto de bombas; así mismo una caja de desagües con su correspondiente bomba de desagüe, para impulsar los desechos a la red pública. Las dimensiones del pozo de desagüe, se diseña de tal manera que los desechos no se detengan más de 15 minutos y las tuberías de desagües son de fierro fundido o de plástico pesado (SAP).

DISEÑO DE TANQUES ELEVADOS

Pueden clasificarse de la siguiente manera:

   Tanques elevados para residencias o edificios de poca altura Consideraciones a tomar en cuenta a) Ubicación:Deben ubicarse en la parte más alta del edificio y debe armonizar con todo el conjunto arquitectónico. De preferencia debe estar en el mismo plano vertical de la cisterna, para que sea más económico. b) Diseño:Para el diseño existen dos criterios: -

Prefabricados.- Que pueden ser de plástico o de asbesto cemento (eternit). Hay de diferentes capacidades desde 250 litros a 2000 litros. De concreto armado o albañileria.- Debe ser de sección cuadrada y se debe almacenar como mínimo 1 m3 ó 1/3 del volumen de consumo diario, es decir:

ó1 m3

(3 – 15) Dónde: b = Área de la base del tanque a = Valor que nos damos como lado de la base VTE = Volumen del tanque elevado, que es conocido.

NOTA.- Al tanque elevado hay que impermeabilizarlo con SIKA.

c) Conexiones: 1. Tubería de impulsión a descarga libre no debe llevar flotador. 2. Tubería de rebose, que se le hace descargar a un desagüe indirecto, con una brecha de aire de 5 cm. 3. Tubería de limpieza. 4. Alimentador o alimentadores. 5. Interruptor eléctrico. 6. válvula de compuerta.

    Tanque elevado para grandes edificios Consideraciones a tomar en cuenta a) Ubicación: para edificios de 8 a 14 pisos la ubicación está definido por cuestiones arquitectónicas. Se ubica de preferencia sobre la caja de ascensores o de la caja de escaleras. Siempre en la parte más alta de la edificación, cuando se trate de edificios no muy altos o en pisos intermedios cuando los pisos son muy elevados. b) Diseño: para el diseño el volumen de este tanque debe contemplar el volumen de agua contra incendios.

V aci=Volumen de agua contraincendios=11 m3 c) Agua contra incendios: el cálculo se hace considerando que dos mangueras están funcionando simultáneamente a una velocidad de 3 Lt/seg durante 30 minutos; tiempo en el cual arrojan aproximadamente 11 m3, volumen considerado para el diseño de edificios de oficinas o departamentos. Para zonas industriales la velocidad que se considera es 8 Lt/seg, arrojando un volumen aproximado de 2 x 8 x 30 x 60 = 28 m 3. Cuando se tiene bloques de edificios, para calcular el volumen de agua contra incendio se pone 2 mangueras. El reglamento nacional de construcciones, especifica que el agua contra incendio debe estar en el tanque elevado. La figura 3.13., es un esquema representativo del agua contra incendios por pisos.

Cuando el agua contra incendios se almacena en la parte baja, el esquema mostrado se muestra los elementos a tomar en cuenta.

De la Figura se puede decir que hay una bomba que se encarga de proporcionar la presión suficiente hacia los gabinetes. Hay otro sistema de apagar incendios que consiste en rociadores (Sprinkler). Este sistema está formado por una red horizontal de tuberías formando mallas, instalada a la altura inmediata a la del cielo raso de los edificios industriales, almacenes, pero no mayor de 30 m. estas tuberías están provistas de bocas con válvulas construidas de tal modo que se abren automáticamente cuando la temperatura asciende hasta 60° ó 70° C y proyectan una serie de chorros de agua sobre las instalaciones o mercaderías. Fig. 3.15.

d)

Conexiones: representa un esquema de las diferentes conexiones a tomarse en cuenta en un tanque elevado para grandes edificios.

Salidas del tanque elevado Recomendaciones

En tanques de edificios altos, es conveniente que sean varios alimentadores. La figura representa un esquema donde se indican la salida o salidas del tanque elevado.

Calculo de alimentadores de agua en un sistema indirecto Se reduce a calcular la presión de salida mínimas en el punto de consumo más desfavorable, las presiones en los puntos de consumo más desfavorable. Las presiones en los puntos de consumo debajo de éste, se supone que van a ser mejores, por lo tanto, el diseño se simplifica teniendo en cuenta que los diámetros que se deben seleccionar, se hacen solamente en función de la velocidad. Esto significa que no deben ser mayores a 3m/seg, los cuales están especificados en el reglamento nacional de construcciones y se dan en la Tabla 3.3. Diámetro en pulgadas ½’’

Límite de velocidad en m/seg 1.90

¾’’ 1’’ 1 ¼’’ 1 ½‘’ y mayores

2.20 2.48 2.85 3.05 Tabla 3.3.

a) Punto más desfavorable: es el que se encuentra más alejado del tanque elevado horizontalmente y más cerca verticalmente. Cualquier otro punto en C’ está mejor ubicado, igualmente que A’ y B’.

b) Calculo de la presión en el punto de consumo más desfavorable: debe proceder de la siguiente manera:

se

1. Determinar la máxima gradiente hidráulica disponible Smáx., considerando el ramal de distribución que abastece el punto de consumo más desfavorable. La máxima gradiente hidráulica,

representa el cociente entre la altura disponible y la longitud equivalente. Representa el cociente entre la altura disponible y la longitud equivalente.

(3 – 17) HD = Altura disponible L = Longitud equivalente

x

Altura disponible.-

Representa el resultado obtenido de descontar la presión mínima requerida a la altura estática entre el punto de consumo más desfavorable y el nivel mínimo en el tanque elevado.

x

Longitud equivalente.-

Está dado por la longitud real de la tubería a la que se aumenta un determinado porcentaje de carga por accesorios. Se puede estimar este porcentaje en 20%, como primer tanteo y para simplicidad de los cálculos.

2. Obtener con la máxima eficiencia hidráulica y el gasto correspondiente los diámetros para cada tramo; estos diámetros son teóricos, por lo que se deben considerar los diámetros comerciales. 3. Con ambos diámetros conocidos y los gastos respectivos en cada tramo, calcular la gradiente hidráulica real. 4. Calcular la pérdida de carga real, multiplicando la longitud equivalente por la gradiente hidráulica real. 5. Calcular la presión en el punto de consumo más desfavorable, descontando a la altura estática total las pérdidas de carga en todos los tramos. 6. Tener en cuenta que cuando aumenta la altura estática de un piso inferior, también aumenta la presión, debiendo cumplirse cualquiera de las siguientes condiciones:

a) Que la presion en un punto “x” en el nivel del piso inferior, debe ser igual a la altura estática del punto “x” menos la suma de pérdidas de carga hasta el punto “x”

b) Que la presión en un punto “x” en el nivel del piso inferior, debe ser igual a la presión en el punto más bajo, más la altura entre pisos, menos la pérdida de carga en ese tramo. 7. Verificar que la presión obtenida en el punto más desfavorable sea mayor que la presión minima requerida. De lo contrario, será necesario reajustar los diámetros obtenidos. Cálculo de las presiones en los puntos de consumo. Se debe tener en cuenta que habiéndose obtenido la máxima presión en los puntos más desfavorables, el resto de los tramos requerirán de diámetros menores siempre que cumplan con las condiciones límites de velocidad y gastos. Se recomienda lo siguiente: a) A partir del punto más desfavorable, es necesario determinar la nueva gradiente hidráulica, debiendo cumplir cualquiera de las dos condiciones expuestas en el item 6 anterior. En ambos casos la longitud equivalente será la que corresponde al tramo que se está calculando. b) Al repetir el proceso de cálculo anterior en los tramos subsiguientes, se nota que a medida que aumente la altura estática disponible, también la velocidad va incrementándose hasta calcular valores superiores al máximo recomendable de 3 m/s; por ello el cálculo se simplifica seleccionando diámetros en función de la velocidad límite. c) Proceder el llenado de las hojas de cáculos a fin de ir verificando los resultados.

CALCULO DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA DE ACOMETIDA O RAMAL DOMICILIARIO

Es el tramo de tubería comprendida entre la tubería matriz pública y la ubicación del medidor o dispositivo de regulación. El diámetro de este ramal nos proporciona SEDAPAL, una vez aprobado los planos por el organismo encargado de dar la licencia de construcción. Este diámetro es por lo general de 5/8” ó 3/4” y a lo máximo 1”. El material puede ser plástico o fierro fundido.

MEDIDOR Es un dispositivo que nos permite aflorar la cantidad de agua que se abastece a un edificio o una casa, para que mediante una tarifa especial se pague el consumo de agua.

CLASES

A. Velocímetros: Están formados de una turbina o especie de hélice que secciona el turbo de acuerdo a las revoluciones de este hélice y mediante aparatos de relojería nos indica el volumen de agua que pasa a través de él. Ventajas: 1. Son de bajo costo. 2. Permite medir aguas potables con cierta materia en suspensión. 3. No interrumpen el flujo de agua en ningún momento. Desventajas: 1. No son muy precisos 2. Las piezas tienen que ser reparadas constantemente. B. Volumétricos: Están formados de compartimientos que son llenados y vaciados. Mediante aparatos de relojería nos permite conocer la cantidad de agua que pasa a través de ellos. Ventajas: 1. Son de gran precisión 2. No son de gran mantenimiento Desventajas: 1. No admiten aguas con materia en suspensión.

Los volumétricos son usados por SEDAPAL; hay marcas como BADGER, KENT, etc. Los velocímetros son usados por SEDACHIMBOTE con marcas por ejemplo Woltman,Multi-Jet, etc.

CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN DE LA RED PÚBLICA HASTA LA CISTERNA

El cálculo de la tubería de alimentación debe efectuarse considerando que la cisterna se llena en horas mínimo consumo, en las que se obtiene la presión máxima y que corresponde aun periodo de 4 horas (12 de la noche a 4 de la mañana)

Para el cálculo de la tubería haya que tener en cuenta lo siguiente:

 Presión de agua en la red pública en el punto de conexión del servicio.  Altura estática entre la tubería de la red de distribución pública y el punto de entrega en el edificio.  Las pérdidas por fricción en tubería y accesorios en la línea de alimentación, desde la red pública hasta el medidor.  La pérdida de carga en el medidor, la que es recomendable que sea menor del 50% de la carga disponible.  La pérdida de carga en línea de servicio interno hasta el punto de entrega a la cisterna.  Volumen de la cisterna.  Considerar una presión de salida de agua en la cisterna mínima de 2.00m.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Gasto Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores y los datos de presión en la red pública proporcionados por la Empresa que administra el sistema de agua potable de la ciudad, el problema consiste en calcular el gasto de entrada y la carga disponible seleccionándose luego el medidor, tomando en cuenta que la máxima pérdida de carga que debe consumir el medidor debe ser el 50% de la carga disponible.

Hf m= 50% Hf De la presión en la red pública, para el punto más desfavorable del edificio, despejando Hf tenemos:

PM=HT + HF + PS

FORMULA GENERAL

HF = PM - HT - PS

Hf m= 50 (PM - HT - PS)/100

Donde: Hf m=Perdida de carga en el medidor. PM =Presión en la matriz o red publica. PS =Presión de salida mínima. HF =Perdidas de carga. HT =Altura estática del edificio, se toma desde el nivel de la red publica. Con un mismo gasto, se puede seleccionar una variedad de medidores. Obtenida la verdadera carga del medidor, se obtendrá la nueva carga disponible, procediéndose luego mediante tanteos de diámetros, a seleccionar el más conveniente.

 EJEMPLO: Datos:

 

     

Presión en la red pública=20 libras/pulg2. Presión mínima de agua a la salida de la cisterna=2.00 m. Desnivel entre la red pública y el punto de entrega a la cisterna=1.00 m. Longitud de la línea de servicio=20.00 m. La cisterna debe llenarse en un periodo de 4 horas. Volumen de la cisterna=12m3. Accesorios a utilizar: 1valvula de paso, una válvula de compuerta, 2 codos de 90° y un codo de 45°.

  

Se trata de : Seleccionar diámetro del medidor. Diámetro de tubería de alimentación a la cisterna. SOLUCIÓN

1. Cálculo del gasto de entrada:

Q=



Volumen 12,000 litros = =0.833 ¿ Tiempo 14,400 seg seg Convirtiendo a G.P.M.

 Se sabe: o 1 litro= 0.2642 galones o 1 min= 60 seg  Q = 13.2 G.P.M. 2. Cálculo de la carga disponible: 



H = PR-PS-HT

Dónde: o o o o

H= Carga disponible. PR=Presión en la red. PS= Presión a la salida. HT= Altura red a cisterna. H = 20 – [(2.00X1.42) + (1.00X1.42)]

H = 15.74

Libras pulg 2

 En metros: H = 14 – 2 – 1 = 11 m.c.a.

3. Selección del medidor: Siendo la máxima perdida de carga del medidor el 50% de la carga disponible, se tiene: H = 0.5X15.74= 7.87 Libras/pulg2 ÁBACO DE MEDIDORES

10.5

3.8  Del Abaco: 1.7



DIAMETRO 13.2 5/8”

PÉRDIDA DE CARGA 10.5 libras/pulg2(7.15 m)

3/4” 1”

3.8 libras/pulg2(2.66 m) 1.7 libras/pulg2(1.18 m)

TENIENDO EN CUENTA LA MAXIMA PERDIDA DE CARGA MEDIDOR 7.87 LIBRAS/PULG2SELECCIONAMOS:

EL MEDIDOR DE ¾”.

4. Selección del diámetro de tubería:

DEL

 Dado que el medidor degenera una pérdida de carga de 3.8 libras/pulg2. La nueva carga disponible será: H = 15.74 – 3.8 = 11.94 libras/pulg2 H = 8.40 m.c.a  Asumiendo un diámetro de ¾” o

Longitud equivalente por accesorios: 

1 válvula de paso ¾”=0.10 m.



1 válvula de compuerta de ¾”=0.10 m.



2 codos de 90°= (2x0.60)=1.20 m.



1 codo de 45°=0.30 m.

 Longitud equivalente=1.70 m Estos valores se obtienen del siguiente ábaco:

ó

 La longitud total será: 20.00 m + 1.70 m=2 1.70 m 

Del siguiente ábaco hallamos la gradiente hidráulica para comprobar que la perdida máxima obtenida en el medidor sea mayor a la obetinada con los accesorios: o Q = 0.833 l.p.s. o D = ¾” TUBERIAS DE FIERRO GALVANIZADO NORMAL

180

800

TUBERIAS DE CARGA EN METROS POR 1000 METROS  Tenemos o

S=800/1000=0.8m/m.

Luego: H = 21.70X0.8= 17.36 m COMPROBANDO TENEMOS QUE:

8.40 < 17.36 libras/pulg2  Por lo tanto tenemos que aumentar el diámetro de la tubería.  Asumiendo un diámetro de 1” o

Longitud equivalente por accesorios: 

1 válvula de paso ¾”=0.20 m.



1 válvula de compuerta de ¾”=0.20 m.



2 codos de 90°= (2x0.70)=1.40 m.



1 codo de 45°=0.40 m.

 Longitud equivalente= 2.20 m  La longitud total será: 20.00 m + 2.20 m=2 2.20 m  Tenemos o

S=180/1000=0.18m/m.

Luego: H = 22.20X0.18= 3.996 m COMPROBANDO TENEMOS QUE: 8.40 > 3.996 libras/pulg2  Por lo tanto tenemos que el diámetro 1” de la tubería es correcto.

 RESULTADOS:  DIAMETRO DEL MEDIDOR: ¾”  DIAMETRO DE TUBERIA DE ENTRADA : 1”