Conceptos Clave en Sistemas de Fluidos y Redes de Suministro

Diferencias entre Sistemas de Drenaje Unitario y Separativo

Sistema Unitario

• Ventajas:
  • Menor coste
  • Menor ocupación
  • Menos conexiones
  • EDAR de mayor tamaño
  • Parte del agua pluvial es tratada
  • Cuando llueve se produce un lavado de residuos
• Desventajas:
  • Trazado común para aguas residuales, pero puede que no para pluviales

Sistema Separativo

• Ventajas:
  • Diseño de pendiente y profundidad adecuada
  • EDAR de menor tamaño
  • Caudales parecidos
  • No es necesario CSO (Combined Sewer Overflows)
  • Las aguas residuales tienen velocidades mayores para evitar deposiciones
• Desventajas:
  • Mayor coste
  • Mayor ocupación
  • Si no hay depósitos de tormentas, no se tratan las aguas pluviales
  • Drenaje más complicado
  • No hay lavado de residuos cuando llueve

Suministro de Agua: Depósitos vs. Bombeo Directo

Depósitos

• Ventajas:
  • Garantizan el suministro en caso de fallos eléctricos
  • Permiten almacenar agua
  • Optimizan los costos energéticos
  • Ofrecen mejor regulación que las bombas de velocidad fija (BVF)
• Inconvenientes:
  • Regulación poco flexible
  • Inversión elevada
  • Problemas de presión y calidad por tiempos de retención altos

Bombeo Directo

• Ventajas:
  • Flexibilidad para ampliaciones
  • Regulación versátil
  • Ajuste preciso con bombas de velocidad variable (BVV)
• Inconvenientes:
  • Dependencia energética
  • Menor seguridad ante fallos eléctricos
  • Menor optimización en costos energéticos

Parábolas y Colinas de Isorrendimiento en Bombas

Parábolas de Isorrendimiento

En el plano H-Q, las parábolas de isorrendimiento representan los puntos de igual rendimiento para diferentes velocidades. Para un punto del plano, su rendimiento viene dado por el valor de la parábola que pasa por ese punto.

Colinas de Isorrendimiento

Las colinas de isorrendimiento muestran el mejor rendimiento de cada punto. Se obtienen realizando el ensayo para todas las velocidades, obteniendo la potencia y calculando el rendimiento.

Zona Útil y Torre de Presión

La zona útil se define por el rendimiento mínimo, la curva de velocidad y la curva característica de la bomba. La torre de presión proporciona una presión de suministro suficiente y constante para una red que se alimenta desde el depósito por gravedad.

Equilibrado de Circuitos Hidráulicos

El equilibrado consiste en lograr que por cada elemento de un circuito cerrado circule el caudal de diseño. Si en los subcircuitos menos resistentes circula un caudal superior al de diseño y por los más resistentes circulan caudales inferiores a los de diseño, se produce un desequilibrio.

Equilibrado Estático

Si en un circuito de calefacción doméstica cerramos un radiador, se producirá un desequilibrio del sistema y los caudales no serán los deseados.

Equilibrado Dinámico

Consiste en instalar elementos de regulación que puedan variar su resistencia para adaptar el caudal al deseado.

Curvas de Consigna y Resistente

Curva de consigna: Línea de puntos que representa los distintos caudales para dar la presión mínima en cada punto y, por tanto, los puntos más eficientes.

Curva resistente: Representa la demanda de caudal en la instalación para cubrir lo que se necesita, sin tener en cuenta las presiones mínimas.

Torres de Presión

Las torres de presión permiten que las bombas trabajen en rendimiento máximo y laminan las puntas de caudal de consumo. Tienen un coste elevado e impacto visual. Funcionan de manera que, al llegar al nivel máximo, las bombas se paran y, al llegar al mínimo, arrancan. El criterio de dimensionado es que las bombas no arranquen excesivamente por hora.

Elección de la Bomba de Recirculación

La bomba de recirculación debe proporcionar una altura manométrica al fluido para vencer las pérdidas de carga en los elementos resistentes. En un circuito cerrado, no existe el desnivel geométrico, ya que el fluido sale del mismo punto al que llega. H_bomba= suma de cargas localizadas y fricción.

Cálculo del Volumen de Regulación en Depósitos

Ejemplo de cálculo de volumen de regulación en depósitos:

• Hora (0-6)
• Coeficiente diario del bloque
• Q_bombeo = Q_demanda (m³/h)
• Q_consumo = Coeficiente * Q_bombeo
• Q_bombeo - Q_consumo
• Nº horas
• Nº horas * (Q_bombeo - Q_consumo) para ver cuánto se almacena
• V_regulación = V_max - V_min

Diagrama H-Q y Límites de una Bomba

En un diagrama H-Q, se representan la curva de la bomba y los límites: rendimiento mínimo (parábola de isorrendimiento), curva de la bomba a velocidad normal y a velocidad mínima (80%). Por debajo de la velocidad mínima, los rendimientos se desvían mucho de los reales.

Niveles de Presión en Redes de Gas Natural

La clasificación de las redes de gas natural según la presión es:

• Alta presión: p > 5 bar (gaseoductos)
• Media presión: p < 5 bar. Se aplica a redes de distribución de las poblaciones y polígonos industriales.
• Baja presión: p < 0.05 bar. Se aplica en redes interiores.

Cuando el caudal másico de gas G es elevado (por ejemplo, en el caso de gasoductos), se transporta a elevadas presiones (con elevada densidad del gas ρ). Con ello, se consiguen caudales volumétricos Q no excesivamente elevados (G = Q.ρ), y, por consiguiente, los diámetros no son excepcionalmente grandes.

Sistemas de Ventilación

• Natural
• Mecánica
• Híbrida
• Ambiental: El aire que entra por el local se difunde por todo el espacio interior antes de alcanzar la salida. Puede ser por sobrepresión o depresión.
• Dilución: Inyectar en el local caudal suficiente para mantener una concentración del contaminante (Kg/m³) que se genera en el local por debajo de una calidad exigida. Si la carga se debe a la actividad metabólica, se denomina por concentración de CO₂.
• Desplazamiento
• Localizada: El aire contaminado es captado en su foco. Se logra mediante una campana de extracción que conduce al exterior el aire captado (trabaja con depresión para evitar que el contaminante se difunda por el local).

Columna Seca

Las columnas secas son conducciones vacías para uso de los servicios de incendio municipales, con posibilidad de alimentación (2x70mm) desde la fachada del edificio y salidas (2x45mm) a lo largo de su recorrido.

Imbornales

Los imbornales son estructuras en calles para la recogida de las aguas pluviales y que conectan con las conducciones de drenaje (bien sea el sistema unitario o separativo). Tipos según cómo recogen el agua:

• Cuneta
• Bordillo
• Mixto

Aliviaderos

Los aliviaderos son estructuras para derivar el agua que circula por colectores unitarios hacia otros colectores, a fin de no sobrecargar la EDAR por las aguas pluviales y no sobrecargar los colectores aguas abajo. El agua se envía a depósitos de tormenta.

Estrategias Anti-Cavitación en Válvulas

• Elegir una válvula con mejor índice de cavitación.
• Elegir una válvula de mayor tamaño (menor velocidad).
• Poner válvulas en paralelo para disminuir el caudal.
• Poner válvulas en serie para disminuir la presión.
• Si P₂ es alto, el riesgo de cavitación es menor.
• Si ΔP es grande, el riesgo de cavitación aumenta.
• Si Q/V es grande, el riesgo de cavitación también aumenta.

Tipos de Válvulas

Válvula de alivio: Válvula de seguridad que se conecta en derivación. Cuando la presión en el interior del sistema supera el valor de la presión de tarado, la válvula abre, descargando fluido al exterior y limitando la presión en el sistema.

Válvulas de seccionamiento o corte: Permiten o impiden totalmente el paso del caudal, con buena estanquidad al cierre y baja pérdida de carga abierta. Ejemplos: válvulas de corte en redes o acometidas.

Válvulas de regulación: Regulan caudal o presión, con buena capacidad de ajuste y control de cavitación. Ejemplos: válvulas reductoras o limitadoras de caudal.

Válvulas de protección: Protegen la instalación en situaciones anómalas y actúan solo en caso de fallos. Ejemplos: válvulas de retención, ventosas y purgadores.

Ejemplo de Cálculo de Torre de Presión

Si el caudal punta de la red es de 10 l/s y se admite un máximo de 6 arranques a la hora:

• Q_b (bomba) = 10 l/s
• Q_c (consumo) = 5 l/s
• T_f (funcionamiento) = V/(Q_b-Q_c)
• T_p (paro) = V/Q_c
• T_ciclo = T_f + T_p = V/(Q_b-Q_c) + V/Q_c = V/(10-5) + V/5 = 2V/5
• Para 6 arranques/hora, T_ciclo = 60 min / 6 arranques = 10 min = 600 seg
• 600 = 2V/5
• Por lo que V = 1500 litros

Cálculos Adicionales en Sistemas de Fluidos

Válvula reductora de presión:

• KV₀ = 500 ((m³/h)/(Kp/cm²)^0.5)
• P_sal = 6 KP/cm²
• P_ent = 2
• Q = 1200 (m³/h)
• Si tu Kv > KV₀, la válvula estará totalmente abierta y no podrá regular.
• Q (Lpm) = K_b * √P (bar)

Otras fórmulas:

• P_h + 10 * V_cald = P_min + 10 * V_max = P_max + 10 * V_min
• V_util = 900 * Q_e / N_max
• T_llenado = Volumen / (Q_entrada - Q_consumo)
• T_vaciado = Volumen / (Q_consumo)
• Nº arranques = 3600 / T_total
• σ_crítica > índice de cavitación → cavita