Bombas de agua potable en edificios II

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.

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.

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.

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.

• 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.

  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