CRITERIOS DE DISEÑO
Los aspectos más importantes a considerar en el diseño de redes de distribución de agua, son los siguientes: 1. Gasto de diseño 2. Presión mínima de operación 3. Pérdidas por fricción 4. Velocidad máxima permisible 5. Los problemas más frecuentes de las redes de distribución de agua, resultado de un diseño inadecuado, son dos: 1. Falta de energía hidráulica para para la operación de los muebles sanitarios; esto es especialmente notorio, en los muebles que utilizan fluxómetro. 2. Ruidos excesivos excesivos y golpe de ariete, debido a velocidades excesivas de diseño. Es importante aclarar el término energía hidráulica, puesto que no debe ser confundido con la presión estática; este término se refiere a la energía que existe en cualquier punto del sistema cuando el agua está fluyendo, esto es, consta de una energía estática, debida a su posición; otra energía de trabajo, debido a la carga de presión del flujo; y, finalmente, de una energía cinética, debida a la velocidad de dicho flujo. A continuación, trataremos cada uno de los aspectos relevantes para el diseño de las instalaciones hidráulicas. GASTO DE DISEÑO
El planteamiento utilizado por Hunter es el más racional, pero debemos recordar que desde que hizo sus registros, se han tenido avances notables en el diseño de fluxómetros, válvulas y muebles de baño, por tanto es necesario hacer algunos cambios en las suposiciones básicas de Hunter, no en la metodología ni en el concepto, para poder actualizar las curvas que obtuvo, y que fueron mostradas anteriormente. Proyectos recientes han demostrado que es seguro reducir los valores obtenidos de la curva de Hunter en un 40%; debemos aclarar que esta reducción puede ser aplicada a sistemas hidráulicos con un gran número de muebles. PRESIÓN MÍNIMA DE OPERACIÓN
La red de distribución de agua debe ser diseñada para poder suministrar la presión mínima de operación de los diversos muebles sanitarios. Cuando la red municipal no puede proporcionar esta presión mínima, debemos recurrir a algún sistema de elevación de presión como podrían ser los tanques elevados, los sistemas hidroneumáticos, o las bombas booster. Por lo general, la presión mínima de operación que debe proporcionarse a la mayoría de los muebles sanitarios que no utilizan fluxómetros es de 0.6 kg/cm2 y de 1.0 kg /cm2 a los que utilizan fluxómetros. Debe considerarse que estas presiones son cargas totales y no presiones estáticas. La tabla 2.9., 2.9., en la que se muestran los gastos, las presiones mínimas de operación y los diámetros mínimos de la tubería de entrada, para distintos muebles sanitarios, está basada en la reglamentación norteamericana.
El Reglamento de Construcciones del Distrito Federal, en su artículo 151 del Capítulo VI, Instalaciones, Sección primera, Instalaciones hidráulicas y sanitarias, no establece presiones de operación mínimas para los muebles sanitarios, únicamente indica que, para las instalaciones en edificios que cuenten con tanques elevados, éstos deberán estar colocados a una altura de, por lo menos, de dos metros arriba de] mueble sanitario más alto. De ahí podríamos inferir que, en el caso más desfavorable, los muebles sanitarios cercanos a la alimentación operarán con una presión mínima cercana a los 2.00 m de columna de agua. PÉRDIDAS DE ENERGÍA
Las tuberías de la red de distribución de agua, deben ser dimensionadas limitando las pérdidas de energía, de tal manera que la salida más alta y remota pueda tener la presión mínima requerida para una operación adecuada durante los períodos de demanda pico. Por tanto, la máxima pérdida de energía que puede tolerarse, en un sistema durante la demanda pico es la diferencia entre la presión estática en la salida de agua más alta y remota, sin flujo, y la presión mínima de operación requerida en la salida. Las pérdidas de energía, pueden ser calculadas por cualquiera de las fórmulas conocidas para las pérdidas locales y las pérdidas por fricción. Entre las fórmulas más conocidas y utilizadas para el cálculo de pérdidas por fricción, está la de Darcy-Weisbach: con:
hf pérdidas por fricción, en m. f coeficiente de fricción, adimensional. L longitud de la tubería, en m. D diámetro de la tubería, en m. v velocidad de] flujo en la tubería, en m/s. g aceleración de la gravedad, en m/s2. Las pérdidas locales, pueden ser calculadas a partir de la expresión:
donde
h1 pérdida de energía de tipo local, en m. k coeficiente que depende del tipo de accesorio. v velocidad del flujo en la tubería, en m/s. g aceleración de la gravedad, en m/s2. Las pérdidas locales también pueden ser calculadas a través de la longitud equivalente. Es recomendable que las pérdidas de energía no excedan de 10 m por cada 100 m. VELOCIDAD MÁXIMA
Puesto que el golpe de ariete es función de la celeridad de la onda de presión (velocidad de flujo), es de primordial importancia, evitar velocidades excesivas de diseño con objeto de minimizar los problemas de este tipo. La velocidad máxima de flujo en tuberías durante períodos de demanda pico debe ser de 2.5 m/s, como valor máximo, puesto que cuando se aproxima a los 3 m/s se incremento el riesgo del golpe de ariete. Las velocidades altas producen ruidos en forma de silbidos, erosión en tuberías, el peligro de choques hidráulicos, etc., por lo que se debe evitar exceder el límite de los 3.0 m/s. Una velocidad adecuada de diseño puede considerarse de 2.5 m/s. Es común auxiliarse de nomogramas para el cálculo manual de sistemas hidráulicos, a fin de calcular los diámetros que cumplan las condiciones de velocidad, así como la pendiente de las pérdidas de energía. Una ventaja adicional es que puede trabajarse exclusivamente con los diámetros comerciales. Las figuras 2.15. y 2.16 2.16., ., presentan dos nomogramas: uno para el cálculo de tuberías de cobre, y otro, para el de tuberías de fierro galvanizado. La utilización de los nomogramas es sencilla: con base en el gasto de diseño a conducir, que hallaremos en el eje de la abscisas, nos elevamos verticalmente hasta cortar un diámetro comercial de tubería, tal que la velocidad no sea mayor de 3 m/s; a partir de la intersección con la línea del diámetro comercial, nos desplazamos horizontalmente hacia el eje de la ordenadas, para de ahí obtener las pérdidas de energía en metros por cada cien metros de longitud de la tubería. El valor de la pérdida de energía, obtenido del nomograma, lo multiplicamos por la longitud total, expresada en cientos de metros, de nuestra tubería a diseñar, incluyendo la longitud física de la misma y la longitud equivalente, que corresponde a los accesorios instalados.
FORMATO UTILIZADO PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
En la figura 2.17., 2.17., presentamos una forma que nos permite seguir una secuencia para el dimensionamiento de tuberías de una red de distribución de agua. Esta secuencia, aunque se establece en esta sección, que corresponde al agua fría, es similar para el dimensionamiento de tuberías de agua caliente.
De la (Columnas 1 y 2): Esta columna se utiliza para identificar el tramo analizado, y
deberán escribirse los puntos inicial y final del mismo. Unidad-Mueble (Columna 3): Se indicará el número de unidades-mueble que el tramo analizado deberá conducir. Gasto (ips) (Columna 4): Se determinará el gasto a conducir con base en las unidadesmueble. Si el cálculo es manual, pueden utilizarse las figuras de Hunter; Diámetro (mm) (Columna 5): Se propondrá un diámetro para el tramo de tubería analizado considerando que la velocidad no puede exceder de 3 m/s y que, las pérdidas de energía no deben ser mayores de 10 m por cada 100 metros. Para la primera aproximación, podemos considerar una velocidad de 2.5 m/s y, por la ecuación de continuidad, puesto que Q=VA; considerando que la tubería es circular con diámetro D, tenemos:
con Q en m3/s El valor del diámetro obtenido, lo aproximamos al diámetro comercial inmediato superior, para tener la primera propuesta del mismo. Con base en el diámetro comercial propuesto y el gasto de diseño para el tramo analizado, obtenemos la velocidad media de flujo. Longitud tubería (m) (Columna 6): Se indicará la longitud física de la tubería en el tramo analizado
Longitud equivalente (m) (Columna 7): Para cada accesorio instalado en el tramo
analizado, como serían codos, tees, válvulas de compuerta, válvulas check, etc., se determinarán las pérdidas locales ocasionadas en longitud de tubería equivalente; esto es, la longitud de tubería, de diámetro igual al propuesto, que ocasiona la misma pérdida local que origina el accesorio. Longitud total (m) (Columna 8): Es la suma de la longitud física y las longitudes equivalentes. Velocidad (m/s) (Columna 9):
utilizando el diámetro propuesto en la columna 5: Pérdidas de energía, Hf (m) (Columna 10): Es la pérdida de energía total en el tramo analizado; se calcula con base en las fórmulas de las pérdidas de energía, tales como Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, etc., o podrían utilizarse los nomogramas. Se recomienda la utilización de la ecuación de Darcy-Weisbach:
con: Hf pérdidas por fricción, en m. f coeficiente de fricción, adimensional. L longitud de la tubería, en m. D diámetro de la tubería, en m. v velocidad del flujo en la tubería, en m/s. g aceleración de la gravedad, en m/s2. Es recomendable que las pérdidas de energía no excedan de 10 m en 100 m, esto es, las pérdidas de energía no deben ser mayores del 10% para cada tramo analizado. Así, debemos comparar el valor de H,, obtenido en la columna 10, con la longitud total, de la columna 8, y el valor de las pérdidas de energía deben ser menores o iguales al 1 0% de la longitud total; en caso contrario deberá aumentarse el diámetro de la tubería del tramo analizado. Energía piezométrica anterior, Hf anterior (m) (Columna 11):En esta columna se escribe la energía o la carga piezométrica que corresponde al inicio del tramo analizado. Cuando se trata del primer punto de análisis, si la alimentación es de tipo descendente a través de un tanque elevado, la energía piezométrica anterior o inicial es la que corresponde a la energía de posición de dicho tanque, ubicando un plano horizontal de referencia en la parte inferior del edificio; si la alimentación es de tipo ascendente, ya sea a través de la red municipal o través de un sistema hidroneumático, la energía piezométrica anterior o inicial es la que corresponde a la carga que puede suministrar dicho sistema o el equipo de bombeo correspondiente. Energía piezométrica actual, H, actual (m) (Columna 12): Es la energía total existente al final del tramo analizado. Es igual a la energía piezométrica al inicio del tramo, menos las pérdidas de energía correspondientes a dicho tramo. Energía estática, H estática (m) (Columna 13): Es la carga existente en el punto final del tramo analizado; corresponde a la energía potencial del mismo, esto es, la altura existente del punto final sobre un plano horizontal de referencia. Energía disponible, H disponible (m) (Columna 14): Es la energía o carga disponible en el punto final del tramo analizado; resulta de la diferencia entre la carga piezométrica actual menos la carga estática. Este valor debe cumplir con los requisitos de presión mínima para cada mueble sanitario, según se trate. isométrico: Se dibujará un croquis de la instalación hidráulica, indicando el número de unidades-mueble por cada sección, las alturas de los muebles sobre el plano horizontal de referencia, así como los datos que sean de importancia para facilitar el llenado de la forma de cálculo.