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• Taylor Rodriguez

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Universidad Nacional de Piura Facultad de Ingeniería Civil – Instalaciones Eléctricas y Sanitarias

Sistema de suministro de tanque hidroneumático Entre los diferentes sistemas de abastecimiento y distribución de agua en edificios e instalaciones, los Equipos Hidroneumáticos han demostrado ser una opción eficiente y versátil, con grandes ventajas frente a otros sistemas; este sistema evita construir tanques elevados, colocando un sistema de tanques parcialmente llenos con aire a presión. Esto hace que la red hidráulica mantenga una presión excelente, mejorando el funcionamiento de lavadoras, filtros, regaderas, llenado rápido de depósitos en excusado, operaciones de fluxómetros, riego por aspersión, entre otros; demostrando así la importancia de estos sistemas en diferentes áreas de aplicación. Así mismo evita la acumulación de sarro en tuberías por flujo a bajas velocidades. Este sistema no requiere tanques ni red hidráulica de distribución en las azoteas de los edificios (evitando problemas de humedades por fugas en la red) que dan tan mal aspecto a las fachadas y quedando este espacio libre para diferentes usos. Los Sistemas Hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión, funcionando de la siguiente manera: El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente, es retenida en un tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de bombas, será impulsada a un recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), y que posee volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, se comprime el aire y aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados (Pmáx.), se produce la señal de parada de bomba y el tanque queda en la capacidad de abastecer la red; cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos (Pmín.) se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente. Como se observa la presión varía entre Pmáx y Pmín, y las bombas prenden y apagan continuamente. El diseño del sistema debe considerar un tiempo mínimo entre los encendidos de las bombas conforme a sus especificaciones, un nivel de presión (Pmín) conforme al requerimiento de presión de instalación y un Pmáx, que sea tolerable por la instalación y proporcione una buen calidad de servicio.

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Usualmente los encargados de los proyectos consideran un diferencial de presión de 10 mca, lo que puede resultar exagerado, ya que en el peor de los casos la presión varía permanentemente entre 5 y 15 mca. Este hecho es el que los usuarios notan, ya que estas variaciones en la presión se traducen en fluctuaciones del caudal de agua. Además, el sistema de calentamiento de agua variará su temperatura en función del caudal. En efecto, el caudal de 15 mca es un 35% superior al que se tiene, si la presión es de 5 mca. Una instalación con sistema hidroneumático, calculado según lo anterior, consumirá un 18

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% más de agua por el hecho de tener que aumentar la presión sobre el mínimo, este aumento conlleva a una pérdida de energía importante. Mientras mayor sea el diferencial de presión y menor el tiempo entre partidas de los motores, más pequeña resulta la capacidad del estanque de presión. Las bombas estarán funcionando entre dos puntos de operación de presión y por consiguiente de caudal, por lo que al no ser un punto único, no podrá estar permanentemente en su punto óptimo de eficiencia. El reglamento de Instalaciones Sanitarias obliga a que la capacidad de las bombas sea un 125% del gasto máximo probable a la presión mínima requerida para el sistema, a fin de asegurar abastecer la demanda máxima al mismo tiempo que se llena el estanque de presión.

Componentes del sistema hidroneumático:

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Un sistema hidroneumático debe estar constituido por los siguientes componentes: 

Un tanque de presión: Consta de un orificio de entrada y uno de salida para el agua (en este se debe mantener un sello de agua para evitar la entrada de aire en la red de distribución), y otro para la inyección de aire en caso de que este falte.

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 Un número de bombas acorde con las exigencias de la red. (Una o dos en caso de viviendas

unifamiliares

y

dos

o

más

para

edificaciones

mayores).

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

Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar agua en el estanque bajo.



Llaves de purga en las tuberías de drenaje.



Válvula de retención en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al estanque hidroneumático.



Conexiones flexibles para absorber las vibraciones.

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

Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre este y el sistema de distribución.



Manómetro.



Válvulas de seguridad.



Dispositivo para control automático de la relación aire/agua. (Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)



Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima, arranque aditivo de la bomba en turno y control del compresor.



Indicador exterior de los niveles en el tanque de presión.(Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)



Tablero de potencia y control de motores.(Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)



Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático y su correspondiente llave de paso.



Compresor u otro mecanismo que reponga el aire perdido en el tanque hidroneumático.

Funciones de los hidroneumáticos: Cada una de las marcas y modelos de este concepto de Sistemas Hidroneumáticos son eficientes para aplicaciones tales como: 

Unidades Habitacionales



Inmuebles con alto consumo de Agua



Presurización de redes hidráulicas



Instalaciones Industriales



Riego por aspersión



Sistema Hidroneumático

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Sistemas hidroneumáticos: Sistemas Industriales de Equipo de bombeo cuenta con personal completamente calificado para la reparación, venta e instalación de cada uno de los equipos que engloba el concepto de Sistema Hidroneumático y/o Hidroneumáticos, cada uno de los puntos anteriormente mencionados son importantes para poder obtener un suministro correcto dentro de las instalaciones o inmuebles a las que se implemente cada uno de estos Sistemas Hidroneumáticos, ya que la duración y calidad de los mismos dependerá de estos puntos en cuestión, permítanos asesorarle.

Hidroneumático presion constante, velocidad varible, el cual cuenta con tablero de control, PLC´s, Variadores de Velocidad, Tanque Hidroneumatico y Bombas Multietapas, Suministro e Instalación dentro de las instalaciones de la UNAM

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Todo sistema hidroneumático opera con dos presiones: -

Presión mínima: es conocida también como presión manométrica y hace operar el

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

Presión máxima: es la presión máxima de operación de la red hidráulica y detiene el

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

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Procedimiento de cálculo para Hidroneumático Es importante indicar que existen diferentes procedimientos para la selección de los equipos hidroneumáticos, por lo general cada fabricante indica su procedimiento. El procedimiento que proponemos está basado en la utilización de por lo menos dos metodologías y seleccionar el equipo que en términos técnicos económicos sea más factible:       

Determinar el tipo de instalación Dibujar un plano o isométrico con la instalación a proponer Determinar la cantidad de servicios (salidas) que se requieren Calcular el consumo de la instalación Calcular el equipo con por lo menos dos metodologías (Recomendable) Análisis de los resultados Selección de los equipos

Cálculo de la capacidad de un tanque a presión A continuación presentaremos varios de los métodos utilizados por algunos de los fabricantes equipos y autores del tema para la selección de los tanques a presión.

 Fabricante BARNES Colombia S.A. Según este fabricante, cuando se calcula la capacidad de un tanque de presión para agua lo que se obtiene es el volumen del tanque hidroneumático que necesitaremos. La expresión que se utiliza es: Vt = (Qt)1/2 x 0.65 x Pa

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Donde: Vt = Volumen del tanque en [L] Qt = Caudal del sistema en [GPM] Pa =Presión de apagado en [psi] Por ejemplo: Calcular capacidad del tanque de presión, si el caudal del sistema 32 [GPM], siendo la presión de pagado de 72.3 [psi]. Solución: Vt = (32)1/2 x 0.65 x 72.3 = 266 [L]

 Fabricante PERRLES PUMP. El dimensionamiento del tanque a presión se efectúa tomando como parámetros de cálculo el caudal de bombeo (Qb), los ciclos por hora (U), y las presiones de operación. El procedimiento se basa en cuatro pasos: 

Determinación del tipo de ciclo de bombeo (Tc). Representa el tiempo transcurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa como sigue: Tc = 1 [hora] / U Donde: Tc = Tiempo de ciclo de bombeo por hora U = Número de ciclos por hora. (Se recomienda 6 ciclos de operación).



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 x Q (bombeo)] / 4 Donde: Vu = Volumen útil del tanque en [L]



Cálculo del porcentaje del volumen útil ( % Vu ) Representa la relación entre el volumen utilizable y el volumen total del tanque y se podrácalcular a través de la siguiente ecuación:

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% Vu = [90 x (Pmáx. – Pmín.)] / Pmáx Donde: %Vu = % del Volumen útil del tanque Pmáx = Es la presión máxima del sistema absoluta (Presión de apagado) [psi] Pmín = Es la presión mínima del sistema absoluta (Presión de arranque) [psi] Nota: Es importante tener presente que tanto la Pmáx como la Pmín serán dadas como presiones absolutas.



Calculo del volumen del tanque (Vt). Vt = Vu / [%Vu/100] Por ejemplo: Calcular capacidad del tanque de presión si el caudal del sistema 32 [GPM], siendo la presión de pagado de 72.3 [psi] y la presión de trabajo es 52.3 [psi]. Solución: Tc = 1 x 60 min / 6 = 10 [min] Vu = [10 (min)x32 x 3.785 (L/min)] / 4 = 302.8 [L] %Vu = [90 x ( 72.3 – 52.3 ) (psi)] / [(72.3 +14.7)(psi)] = 20.7 % Vt = 302.8 (L)/[20.7/100] = 1462.8 [L]

 Fabricante Pedrollo. Este método de cálculo del volumen del tanque hidroneumático se calcula como: Vu = Q x tc / F.A Donde: Vu = Volumen útil del tanque en [L] Q = Caudal del diseño [L/min] tc = Tiempo de corrido de la bomba. Para bombas de 1 [Hp]= 1 [min], para 2 [Hp]= 2 [min]

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F.A = Factor de aceptación 

Determinación del Factor de aceptación (F.A). F.A =1 - [(Pmín + 14.7)] / [(Pmáx. + 14.7)]

Por ejemplo: Calcular capacidad del tanque de presión si el caudal del sistema 32 [GPM], siendo la presión de pagado de 72.3 [psi] y la presión de trabajo es 52.3 [psi]. Solución: F.A = 1 – [52.3 + 14.7 ] / [72.3 + 14.7 ] = 0.223 Vu = [32 x 3.785 (L/min) x 2] / 0.223 = 1086.3 [L]  Fabricante Sabatini. Este método de cálculo del volumen del tanque hidroneumático se calcula como: Vu =Q x K Donde: Vu = Volumen útil del tanque [L] Q = Caudal del diseño [L/min] K = Factor de la tabla siguiente: 

Determinación del Volumen total (Vt). Vt = Vu x [(Pmáx x Pmín) / [Ppcx (Pmáx x Pmín)]]



Determinación la presión de precarga del aire(Ppc) Ppc =Pmín – 3 (psi)) Donde: Vt = Volumen útil del tanque [L] Vu = Volumen útil del tanque [L] Pmáx = Es la presión máxima del sistema absoluta Pmín = Es la presión mínima del sistema absoluta

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Ppc = Es una presión de precarga del aire que asegura un encendido de la bomba eliminando una presión remanente al abrir los consumos. Por ejemplo: Calcular capacidad del tanque de presión si el caudal del sistema 32 [GPM], siendo la presión de pagado de 72.3 [psi] y la presión de trabajo es 52.3 [psi]. Solución: Potencia = Q(GPM) x H(pies) / (3960 x Eficiencia) = 32 x 52.3x2.31/(3960 x0.70)=1.4[HP] De la tabla seleccionamos que K=0.23 Vu = 32x 0.23 = 7.36 [L] Ppc =52.3 (psi) – 3 (psi) = 49.3 [psi] Vt =7.36 x [(72.3 x 52.3)/[49.3x (72.3 – 52.3)]]= 28.2 [L]  Método de Enríquez Harper El procedimiento empleado por Enrique Harper en el Libro El ABC de las instalaciones de gas, hidráulicas y sanitarias es el siguiente: 

Determinación de la cantidad de agua en el tanque (W). Representa el tiempo transcurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa como sigue: W = C x (100 – S)/ (C+1) C = [Pmáx - Pmín ] /. Pmín

Donde: W = Cantidad de agua en tanque expresada en % del tanque) C = Constante S= Sello de agua permanente expresado en % 

Determinación de la capacidad del tanque (T). T = Cm x Pu / 4W Donde:

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T = Capacidad del tanque [L] Cm = Ciclo de trabajo de la bomba por cada hora (6 Por definición) Pu = Capacidad de la bomba [L/min] Por ejemplo: Calcular capacidad del tanque de presión si el caudal del sistema 32 [GPM], siendo la presión de pagado de 72.3 [psi] y la presión de trabajo es 52.3 [psi] y con un sello de un 10%. Solución: C = [(72.3 – 52.3) (psi)] / [(52.3 +14.7)(psi)] =0.3 W = 0.3 x (100 – 10)/ (0.3+1) = 20.8 % T= 6 x 32 x 3.785 / (4 x 0.208) = 873.5 [L] Fabricantes de equipos hidroneumáticos Dentro de las marcas de estos equipos hidroneumáticos están marcas: Evans, Barnes Barmesa, Goulds, Espa, Little Giant, Nabohi, Siemens, Perfetti, Shimge, Aurora Picsa, Altamira, Bombas Mejorada, Sentinel, Lawn & Garden, Coleman, ABB, Grundfos, Bell & Gosset, Espa, Altamira, Milton Roy, Kohler, Honda, Briggs Straton, Pedrollo, Myers, Well Mate, Aquor. Conclusión cálculos tanques hidroneumáticos: Como podemos apreciar existen diferentes metodologías con criterios diferentes, las cuales arrojan resultados diferentes, por lo que nuestra recomendación es realizar los cálculos para tener una visión de la capacidad, pero que utilice en el caso de equipos hidroneumáticos la formulación que da el fabricante para el cálculo de los tanques en función de la potencia de la bomba.

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