Tanques de Sistemas Hidroneumáticos

El sistema hidroneumático constituye un sistema de abastecimiento de suministro de agua más complejo, esto determinado por los siguientes factores:

·          Tipo de dotación o servicio

·          Volumen de agua que se requiere

·          Simultaneidad de los servicios

·          Numero de los niveles o pisos

Este sistema de suministro de agua es una opción eficiente y práctica para el abastecimiento y distribución de agua en viviendas, edificios e instalaciones. El caso de viviendas por lo general se bombea hacia un tinaco colocado en parte alta de la casa, y de ahí por gravedad se distribuye en toda la casa.

No deberá instalarse una bomba de agua sola en serie con la red para uso en edificios y aun en una casa familiar, porque la misma funciona cada vez que el usuario abre una llave de agua, como esto se hace con demasiada frecuencia, el motor de la bomba opera en un continuo prende y apaga lo que causa su daño en el corto plazo al equipo, además del alto consumo de energía eléctrica que conllevaría.

Ventajas

Los Equipos Hidroneumáticos han demostrado tener 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 algunos equipos como lavadoras, fregadoras, así como el llenado más rápido de depósitos en los excusados (inodoros) y de las operaciones de fluxómetros. Un fluxómetro es un dispositivo de descarga de agua para inodoros, urinarios y grifos de los lavabos o lavamanos.

Este sistema no requiere tanques ni red hidráulica de distribución en las azoteas de los edificios y las viviendas impidiendo los problemas de humedades por fugas de agua, con el consiguiente deterioro progresivo de los techos.

Funcionamiento

Por lo general los sistemas hidroneumáticos se basan en el principio de la comprensibilidad del aire, ya que el aire contenido en el tanque cuando es sometido a cierta presión por el aumento del volumen de agua que envía la bomba, aumentando la presión del aire dentro del tanque (presión de apagado) la cual produce la señal de parada de bomba, quedando el tanque en la capacidad de abastecer la instalación. Por el contrario cuando el nivel de presión se reduce producto del uso de agua en la instalación (presión de encendido) se acciona el encendido de la bomba nuevamente

Como se observa la presión varía entre presión de encendido y la presión de apagado, por los que las bombas prenden y apagan continuamente. Toda instalación de equipos hidroneumáticos debe considerar un tiempo mínimo entre los encendidos de las bombas conforme a sus especificaciones. Para la empresa Barnes los tiempos se ven en la tabla siguientes

Para la Empresa Amtrol el tiempo oscila entre 1 y 2 minutos dependiendo de la bomba, esto con la finalidad de no hacer trabajar la bomba, 1 minuto para bombas de 3/4 [hp] y 2 minutos para bombas de 1 [hp] y mayores.

Componentes del Sistema Hidroneumático

El Sistema Hidroneumático está constituido por los siguientes elementos:

·          Un tanque de presión, el cual consta entre otros de un orificio de entrada y otro de salida para el agua, así como para la inyección de aire.

·          Una o varias de bombas acorde con las exigencias de la red

·          Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema

·          Dispositivo para control automático de la relación aire/agua.

·          Manómetro

Tipos de Tanques Hidroneumáticos:

Los diferentes tipos de tanques hidroneumáticos, se diferencian por la forma constructiva y por los materiales utilizados. Estas diferencias lo hacen más propicios para una u otra utilización. Además de los materiales utilizados, la diferencia más notable que podemos marcar es en la utilización de una membrana para separar aire y agua. Los tipos de tanques existentes son:

·       Tanques sin Membrana:

Son tanques en el que el aire también está en contacto directo con el agua, lo que hace que poco a poco el volumen de aire dentro del tanque se vaya perdiendo. Esto se debe a que el agua tiene la capacidad de absorber aire. 

·          Tanques con Membrana

Son tanques que poseen una membrana interna (este revestimiento puede ser de polipropileno) que puede según el fabricante y el uso para que han sido preparados, tener distinta disposición dentro la principal función de la membrana es evitar que el aire sea absorbido por el agua. Este tipo de tanques en los últimos años han ganado amplio terreno el mercado de la presurización domiciliaria tanto como en pequeñas y medianas obras. En este tipo de tanque como el agua nunca entra en contacto con el aire. Esto previene la inundación total del tanque y en consecuencia la corrosión de las paredes de acero.

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.

a.        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

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]

b.        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 podrá calcular a través de la siguiente ecuación:

% Vu = [90 x (Pmáx. – Pmín.)] / Pmáx

 Donde:

%Vu = % del Volumen útil del tanque

Pmáx = Es la presión máxima del sistema absoluta (Presión de a’pagado) [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]

c.        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]

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]

d.        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

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]

e.        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:

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.