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Bombas de agua potable en edificios II

Enviado por Iván Jaime Uranga



  1. Resumen Breve
  2. Repasando los datos de diseño del Proyecto
  3. Comprobando la Columna estática
  4. Comprobando la Columna Dinámica
  5. Equipo Eléctrico de Control
  6. Conclusión

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Resumen Breve

En una primera monografía publicada por www.monografias.com, describimos el proyecto de un sistema de bombeo de agua potable eficiente para un edificio de 8 departamentos, 5 niveles y dos baños de áreas comunes. La cisterna tiene capacidad para almacenar 4 mil litros de agua y los 10 tinacos 10 mil 300 litros. Es un sistema crítico, con agua escasa, porque el suministro de la red pública es de 2 horas en 24 horas. Obliga a mantener almacenamiento de agua en tinacos y cisterna. En la anterior monografía hablamos de conceptos teóricos para la elaboración del proyecto, ahora abordaremos el tema desde el punto de vista de la operación del sistema. Revisaremos si lo diseñado fue posible implementarlo en la práctica. Comprobaremos si las columna estática y columna dinámica de diseño se coreesponde con las reales mediante la medición manométrica, evaluamos si los errores entre diseño y real estaban dentro de los parámetros de ingeniería. Se discute si los sistema de control eléctrico e hidráulico cumplen con las expectativas que trazamos en el proyecto, concluyendo que si cumplen.

Palabras Clave: Bombeo Eficiente; Bomba Sumergible; Carga Dinámica; Carga Estática; Columna de Agua; Sobrecorriente; Relevador Térmico de Sobrecarga; Check Columpio; Caudal; Gasto de Agua; Flujo; Arrancador Magnético.

Repasando los datos de diseño del Proyecto

Es un sistema de bombeo de agua potable para 8 departamentos y 2 áreas comunes de lavado de ropa y baño de servicio. El edificio tiene 5 niveles y una altura hasta el borde más alto de los tinacos de 15.5 m por diseño. Se proyectó el uso de una bomba sumergible de 0.5Hp, con dos pasos, para una altura de cero gasto o máxima presión de 35 m.c.a (metros de columna de agua) y presión mínima de 23 m.c.a. (m H2O) con gasto o caudal de agua de 72 Lpm (litros por minuto). Generó muchas dudas en los usuarios que una motobomba sumergible de 0.5Hp pudiera sustituir a una superficial de 0.75Hp que no satisfacía las necesidades de gasto y presión, cuando la lógica simple indicaba que se requería una motobomba superficial de 1Hp con mayor presión y caudal. En la realidad los sistemas son dependientes de todos los componentes que los conforman y, diseñar partiendo de las características de un solo componente, es un error que se comete con frecuencia.

Si la instalación hidráulica existente era de tubería de hierro galvanizado y con 45 años de uso, que presumimos con suficiente corrosión como para estar influyendo negativamente en la operación del sistema completo, por causa de la reducción del diámetro por corrosión natural del material. Por eso se decidió cambiar junto con la motobomba la instalación hidráulica, para reducir el consumo de energía en el servicio de bombeo de agua potable.

El sistema requirió un replanteamiento completo que incluyó la disminución de trayectorias de tubería, la conservación del mismo diámetro de tubo (sin reducciones) hasta cada tinaco, el uso de pocos coples, codos de 90º, tees, conectores y válvulas de flotador[1]de alto flujo. El uso de un moderno tubo de polipropileno plástico con características sanitarias, flexibilidad y con conexiones por termo-fusión que aseguran cero fugas, además de reducir la fricción al flujo del agua.

La primera monografía Bombeo de agua potable en edificios, solamente aborda la parte teórica del diseño, en esta segunda parte abordaremos la parte práctica, es decir, los resultados del sistema en operación.

Comprobando la Columna estática

Una manera muy práctica para comprobar la altura de la Columna de Agua Estática[2]de un sistema de bombeo en edificios es, una vez terminada la instalación hidráulica, colocar un manómetro justo en la salida de la tubería de descarga de la bomba, arrancar la moto-bomba para que se llene la tubería y luego parar. Con la bomba apagada, el manómetro mostrará, en libras por pulgada cuadrada (PCI) o kilogramos por centímetro cuadrado (kg/cm2) o en metros de columna de agua (m H2O), la altura máxima alcanzada por la Columna de Agua Estática del sistema. La Tabla 1, muestra la medición del manómetro y sus equivalencias en las diferentes unidades. La cuarta columna nos dice que la altura real de la Columna de Agua Estática es de 14.06 metros.

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La altura con que diseñamos el proyecto fue de 15.5 metros, así que hay una diferencia. ¿Por qué la diferencia de 1.44 metros entre el diseño y la medida con manómetro? Primero, error de lectura del manómetro, segundo, error de medición física de la altura y tercero, por circunstancias técnicas el manómetro se colocó un metro por arriba del espejo de agua, para estar por encima del Check o válvula de flujo en una dirección. Para una medición más precisa, el manómetro debería estar en el espejo del agua, esto, en realidad no es posible y a los 14.06 metros de la medición, tendremos que sumar un metro más. El error es de alrededor de 43 centímetros (3.06%), confirmando que la altura proyectada esta dentro del rango de los errores prácticos de ingeniería (+/- 5.0%).

Comprobando la Columna Dinámica

Es natural que al diseñar consideremos determinado número de codos, coples, tees, check y tuerca unión, pero en la práctica, se presenten obstáculos físicos propios de la construcción que impidan el paso recto de las tuberías, haciendo que el diseño sufra modificaciones y que la carga dinámica total sea mayor o menor que la de diseño. Así mismo, el fabricante de la bomba recomienda que a la salida de la motobomba sumergible se instale un check independiente del que trae por diseño, esto aumenta la fricción y por consiguiente la Carga Dinámica Total de trabajo de la bomba. Ahora bien el llenado de los tinacos es variable, porque los gastos por usuario son aleatorios. Este comportamiento, obliga a verificar por medio del manómetro la presión mínima (altura de columna de agua mínima) para verificar que la bomba no trabaja a un caudal de agua mayor a 72 Lpm y, por tanto, consumir una corriente mayor a la nominal de 7.8 Amperios.

Nota: En realidad el motor de la bomba no se quemaría, ya que la protegimos con relevador térmico de sobrecarga bimetálico de 7.5 Amperios (A), mientras la corriente nominal o de placa es de 7.8 A. En caso de exceder la corriente se dispara el relevador y la motobomba apaga hasta que sea restablecido el relevador.

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La Tabla 2, nos muestra la medición de la columna de agua dinámica, en la condición crítica o de mayor gasto. Ya habíamos advertido que las bombas centrífugas consumen mayor corriente cuando proporcionan mayor gasto de agua y solamente las pérdidas en vacío del motor a cero gasto de agua. El mayor gasto ocurre cuando todas las válvulas flotador están abiertas y se llenan todos los tinacos. Bueno, la altura de diseño a un gasto de 72 litros por minuto fue de 25.95 m.c.a. (m H2O) y la lectura real del manómetro nos da 24.85 m.c.a., a los que hay que sumar el metro por la altura en que está colocado el manómetro (no olvidar que el manómetro está instalado un metro por encima del espejo de agua de la cisterna), entonces serán 25.85 m.c.a., es decir, 0.10 metros de error, en relación a lo proyectado 0.39% de error.

Es obvio que cuando un solo tinaco se esté llenando, mientras los demás están llenos, los metros de columna de agua sean mayores, ya que todo el flujo de agua ocurre en un solo ramal del tubo, el gasto de agua proporcionado por la bomba es menor y la corriente que toma el motor de la bomba también disminuye. Esta condición no es crítica, porque todo el caudal de agua de la bomba será para ese tinaco y lo llenará rápido.

El uso del manómetro instalado en la tubería de descarga de la bomba nos permitió comprobar los metros de columna de agua estática del sistema hidráulico y los metros de columna de agua dinámicos. Resultando que con desviaciones menores a 5% se aproximaron a los datos de diseño del sistema de bombeo (3.06 y 0.39%). Esto nos permite anticipar una operación correcta de la motobomba, en cuanto a que funcionará cercana a los datos de diseño y la corriente tomada por el motor no excederá, bajo ninguna condición de operación real, la corriente nominal o de placa y proporcionará el gasto de agua proyectado.

Las curvas de operación del sistema de bombeo se presentan en la Gráfica A, el área amarilla muestra el rango en que la bomba opera, a flujo total 68 LPM (litros por minuto) y con la mayoría de las válvulas de flotador de los tinacos cerradas 66 LPM. Por diseño, en esta instalación se conservó el mismo diámetro de tubería hasta cada tinaco, es decir, el gasto o caudal de agua fluye siempre a través de tubería de 1 pulgada de diámetro. Esto permite que cuando se está llenando un solo tinaco, la fricción solamente es un poco mayor, porque la trayectoria a caudal total de la bomba es más larga y con mayor número de codos y tees, mientras que cuando se llenan todos los tinacos, el caudal se divide y recorre las trayectorias de tubería a la mitad del gasto, a una cuarta parte e incluso, menos. La fricción en tuberías y accesorios disminuye y el caudal suministrado por la bomba es mayor. Recordar que en bombas centrífugas a mayor caudal mayor corriente toma el motor de la bomba, la gráfica muestra que en ese sentido (a la derecha) se presenta la condición crítica, mientras que a menor caudal, menor corriente ( a la izquierda) y se presentan la condición no crítica. Usamos los colores del semáforo (verde, amarillo y rojo) para ilustrar que hacia el verde no existe problema con la bomba seleccionada, en el amarillo la operación de diseño (precavida) y hacia el rojo, las condiciones que no deben ser sobrepasadas. En esta bomba a un gasto mayor de 72 LPM, el motor de la bomba toma corriente mayor a la nominal, sufrirá calentamiento y se quema. El relevador de sobrecarga que nosotros elegimos dispara a 7.5 Amperios, menor a la corriente nominal de 7.8 Amperios, es decir, desconecta la bomba al 96.15% de la corriente nominal.

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El relevador de sobrecarga bimetálico puede calibrarse a una corriente menor, de manera lineal y subjetiva, nos daría la sensación de que está mejor protegido el motor, pero esto es un error, variaciones de voltaje, que nunca faltan, provocarían desconexiones frecuentes. Todos los motores eléctricos tienen cierta tolerancia a sobrecargas NEMA[3]específica factores de servicio de 1.15 (115%) o hasta 1.4 para motores monofásicos para bomba de agua en 3600rpm. No exceder la corriente nominal o de placa del motor en la calibración del elemento térmico de sobrecarga, es una práctica bien justificada para proteger el motor.

Equipo Eléctrico de Control

En el diseño nos propusimos: a) mantener llenos 10 tinacos, 8 de 1100 litros y dos de 750 litros; b) como el gasto no es homogéneo en cada tinaco, que cualquier tinaco con menos de 500 litros pudiera llamar el arranque de la bomba y llenarse; c) que si los demás tinacos estuvieran llenos no hubiera derrame de agua; d) que la motobomba dejara de operar cuando el 100% de los tinacos estuvieran llenos; e) que no funcionara la bomba sin agua en la cisterna, con voltaje menor a 80% del nominal, con corriente mayor a la nominal y en caso de corto circuito se desconectara sin provocar un incendio en las instalaciones. El equipo de control eléctrico auxiliado por otros elementos mecánicos, debe ser capaz de responder a todos estos retos.[4]

  • a) Llenar los tinacos desde cero requiere 2.57 veces la capacidad de la cisterna y esto limita el sistema, debido a que la red pública de agua surte 2 horas diarias el agua. La presión de llegada de agua desde la red pública alcanza las 40 PCI (28.11 m.c.a), por lo que decidimos utilizar esta presión para llenado directo de los tinacos haciendo un arreglo hidráulico. Ver el lado izquierdo de la Grafica B.

  • b) Para mantener llenos todos los tinacos colocaremos un sensor de nivel que cierre un contacto seco[5]cuando el nivel de agua en el tinaco baje a menos de 500 litros en cualquiera de ellos, al cerrar este contacto energizará la bobina del arrancador y funcionará el motor de la bomba.

  • c) Todos los tinacos cuentan con una válvula flotador que interrumpe la llegada de agua cerrando el circuito hidráulico y evitando que haya derrame de agua.

  • d) Cuando todos los contactos secos de los sensores de nivel se abren y dejan de conducir corriente, la bobina del arrancador se desactiva y para la motobomba. Esto ocurre cuando todos los tinacos están llenos.

  • e) Un sensor de nivel de agua que permanece cerrado mientras haya agua en la cisterna, abrirá si el nivel de agua baja, protegiendo a la bomba de trabajar sin agua (esto provocaría calentamiento en el motor, que se enfría por agua). Al haber un voltaje menor o igual a 80%, la bobina del arrancador no podrá sostener los contactos cerrados y al abrirse se desactivará la motobomba. Un interruptor de seguridad con fusible de 30 Amperios, desconecta el circuito de alimentación de la bomba ante una gran corriente súbita, como la de corto circuito, evitando que se quemen los cables de la red eléctrica.

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    La parte izquierda de la Gráfica B, muestra el diagrama hidráulico de la tubería desde la entrada del agua de la red pública de suministro, con su llave de paso o válvula de servicio y su válvula flotador de la cisterna. Una derivación con un check columpio que permite el paso del agua en el sentido de la flecha grabada en su costado, permitirá llenar los tinacos sin necesidad de que opere la motobomba. Reiteramos, sí sólo sí, la presión de la red pública es suficiente para vencer la Carga Dinámica Total del sistema, lo cual no ocurre siempre, dado que hay 127 usuarios más que demandan agua al mismo tiempo y la presión disminuye. Sin embargo, decidimos dejar abierta esa posibilidad ya que el costo de su implementación es mínimo respecto al monto del proyecto entero. Se advierten también los sensores de nivel tipo boya y sus contrapesos, que hacen que las boyas apunten hacia abajo y hacia arriba según el nivel de agua. En la cisterna el contacto seco está cerrado cuando el contrapeso esta abajo y la boya apunta hacia arriba, es decir, hay agua suficiente en la cisterna y la bomba puede funcionar. En el tinaco la operación es al contrario, cuando el contrapeso está abajo y la boya apunta hacia arriba el contacto seco abre, indicando tanque lleno y mandando parar la bomba. Todos los contactos de los sensores de nivel de los tinacos están en paralelo, es decir, la motobomba para cuando está lleno el último tinaco. De manera mecánica, las válvulas flotador evitan que los tinacos llenos se derramen.

    En la parte derecha de la Gráfica B, aparece el circuito de control del sistema de bombeo. Observar que tiene interruptor de seguridad con fusibles, en el Diagrama de Fuerza aparecen en serie el arrancador con el elemento calefactor de relevador bimetálico y el motor de la bomba. Abajo aparece el circuito de control: un selector permite tener activa la motobomba (1) o desactivada (0); un botón de prueba permite encender un instante la bomba para saber si está activa; en paralelo sólo está representado un contacto seco correspondiente al nivel de los tinacos, abierto llenos, cerrado llenando; luego viene la bobina del arrancador, que activada cierra los contactos que activan la bomba y el auxiliar del foco indicador rojo "Llenando"; luego viene el contacto normalmente cerrado del relevador de sobrecarga, el cual abre cuando la corriente excede el ajuste de 7.5 Amperios, cuando abre se enciende la luz indicadora amarilla "Sobrecarga"; si no hay el nivel suficiente de agua en la cisterna, el contacto del sensor de nivel cisterna se abre y enciende la luz indicadora roja "Sin agua". Una sola mirada al panel de control nos permite saber el estado en que se encuentra el sistema.

    La siguiente figura muestra el Panel de Control del Sistema de Bombeo. Es fácil observar que el sistema completo no existe construido en el mercado y que se creó a la medida de las necesidades del edificio.

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    De manera aleatoria, la demanda de agua propia de cada departamento tiende a bajar el nivel de cada tinaco y acercarlo al 50% de su capacidad, que es entonces cuando el sensor eléctrico de nivel manda la señal de arranque de la motobomba sumergible. Pero solamente basta que uno de cualquiera de ellos alcance este nivel, para que todos tengan la posibilidad de recibir agua. Los que están llenos porque no se ha consumido agua simplemente sus válvulas flotador están cerrados, mientras las que su nivel permanece alto, recibirán agua hasta cerrar su válvula flotador, es decir, no habrá derrame de agua. Todo tinaco que requiera agua, en ese momento recibirá una parte proporcional, pero no dejará de operar la bomba hasta que el sensor del tinaco que llamó el arranque, llegue al 85% de su capacidad (punto en que abrirá su contacto seco y mandará el paro). En la Gráfica C, se explica con un dibujo la operación del sistema.

    Actualmente, el agua de la Red Pública primero llega a la cisterna si esta requiere recuperar su nivel (4000 litros), luego que la válvula flotador de cisterna cierra, tiene la posibilidad de utilizar la presión de la Red Pública para llenar tinacos directamente. Si la demanda externa de agua (pública) es baja, la presión será suficiente para llenar cisterna y llenar tinacos, en caso contrario, solamente llenará la cisterna, dejando el trabajo de llenado de tinacos a la bomba sumergible.

    Conclusión

    En un artículo posterior desarrollaremos la parte financiera de este proyecto, el valor presente neto, la tasa interna de retorno y el tiempo de recuperación, porque el proyecto sustituyó un sistema basado en una motobomba de 0.75Hp y una instalación hidráulica con tuberías de acero galvanizado y cobre, con reducciones de diámetro y operación manual al ensayo y error, con componentes que rebasan los 45 años de servicio. Para el diseño del proyecto del presente artículo, buscamos salvar todas las deficiencias encontradas e ir más allá de las prácticas corrientes en el diseño de los sistemas hidráulicos de bombeo. El ahorro de energía a través de la operación eficiente tuvo prioridad sobre cualquier otra consideración.

    Otra atención fue realizar toda la obra sin que se suspendiera el servicio de agua potable en ningún momento, que los vecinos realizaran sus actividades como si nada se estuviera construyendo. Objetivo que también se cumplió.

    Se probó, mediante la simulación de las fallas, la correcta operación de las protecciones:

    • a) Hidráulicas. Llenado, derrame y sin agua en cisterna.

    • b) Eléctricas. Sobrecarga, bajo voltaje, paro por tinaco lleno y paro por bajo nivel de agua en cisterna.

    • c) El corto circuito es una prueba destructiva y no se probó, pero se usaron componentes que cumplen las normas eléctricas de México NOM-SEDE vigentes.

    Con los resultados obtenidos hasta ahora, se puede afirmar que el diseño en general cubrió las expectativas esperadas.

    La segunda etapa de este proyecto, contempla el cambio de toda la tubería hidráulica del edificio y renovación de accesorios hidráulicos, con el fin de evitar fugas del vital líquido. El acuífero de la Ciudad de México está sobre-explotado y se requieren programas permanentes de uso eficiente del agua potable.


    Autor:
    Iván Jaime Uranga Favela

    [1] En virtud de encontrar tinacos con diferencias de altura (hasta de 0.75 m), que vamos aprovechar también la llegada de agua a presión de la motobomba general del condominio, que llamamos suministro de red pública, fue imperativo poner protección contra derrames. Por esta causa se usan las válvulas de flotador.

    [2] La altura total medida en forma vertical desde el espejo del agua de la cisterna hasta el punto más alto alcanzado por la tubería de descarga de la bomba, se llama Columna de Agua Estática, es decir, con el agua en reposo.

    [3] NEMA son normas de fabricación de EEUU. National Electric Manufacturing

    [4] Si todo esto fallara, la foto de la portada de la monografía, en la pared de la izquierda muestra un extinguidor de fuego Normalizado ABC, porque los elementos de fuego y seguridad deben ser redundantes.

    [5] Se llama contacto seco a un contacto eléctrico que cierra o abre un circuito eléctrico de control de manera automática. Autor: Iván Jaime Uranga Favela urangajaime@gmail.com


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