CASO DE ESTUDIO

     En el centro comercial (LA GRAN VIA) se desea obtener un sistema presurizado de agua, tal que sea capaz de llevar este líquido a dos de los principales almacenes del centro comercial desde un tanque principal del centro que se encuentran a gran distancia, se desea desarrollar un sistema hidroneumático que pueda suplir esta necesidad.

     El sistema hidroneumático que se solicita debe contener un tanque hidroneumático capaz de llenar 2 tanques, cada uno de 10000 𝑐𝑚3, en el cual se debe anexar tanto las bombacentrífugas que logren hacer una presión para suplir el llenado en el menor tiempo posible pero teniendo en cuenta que la distancia recorrida entre el sistema hidroneumático y los tanques de llenado es de 125 metros, como los cabezales de descarga bridadas y el presostato que se utilice debe hacer que el paso del agua llene un tanque a la vez, ya que si se llenan todos al tiempo se puede elevar la presión, una vez se tengan estos elementos también se debe diseñar el tablero de control e indicadores los cualevisualizaránan las presiones del sistema hidroneumático como también el control de estas presiones y demás componentes que se consideren necesarios para el buen funcionamiento de este sistema, las conexiones hidráulicas se dejan a libre diseño pero deben tenerse en cuenta los aspectos antes mencionados.

     Con los componentes del sistema hidroneumático, se debe diseñar las presiones que se ejecutaran dentro del sistema, calculando las presiones máxima y mínima como también el tipo de bomba que se utilizara y el área interna de este, se debe hacer el análisis del tanque y la viabilidad de este, diseñando y calculando las presiones internas que se manejan dentro del tanque y el sistema como tal, por último se hace necesario utilizar un compresor que para 

ello se diseña mediante el cálculo de las áreas intervinientes del sistema hidroneumático.

Datos para el diseño del sistema hidroneumático centro comercial LA GRAN VIA

Datos del sistema:

·         Distancia de llenado: 125 m

·         Capacidad de cada tanque:

·         Capacidad total de almacenamiento:

·         Tiempo estimado de llenado de cada tanque: 60 segundos

·         Tiempo total de llenado de los tanques: 120 seg

Figura 1. Sistema hidroneumático diseñado

Fuente: Autores

Descripción del recorrido de la tubería:

De acuerdo a la figura 1. Sale una tubería de 80m del tanque hidroneumático, luego se desvía y recorre unos 27m. Para llegar a la segunda válvula recorre unos 14m y para llegar a la primera válvula recorre otros 14m. Para finalizar el recorrido de las válvulas hacia los tanques corresponde a una distancia 20m cada uno. En total el recorrido de las tuberías es de:  175 m.

Tenemos también una altura de desde el suelo hasta los tanques de 47 m.

Q=V/t
Donde:
Q=Caudal del fluido (m^3/s)
V=Volumen del tanque (m^3 )
t=Tiempo de llenado (s)
Pasamos el valor calculado a litros/segundo para obtener el diámetro de nuestra tubería
Q= 0.16 litros/segundo

Diámetro de la tubería

Teniendo en cuenta el caudal del sistema, con la siguiente   tabla se determinará el diámetro de las tuberías que se implementaran en el sistema.

Tabla 1. Diámetro de las tuberías a partir del valor del caudal
Diámetro Tubería		Caudal
m	pulg		l/s	gal/min
0.050	2	11 - 14	3 - 4	40 -70
0.075	3	25 - 40	7 - 11	110 - 175
0.100	4	50 - 79	14 - 22	225 – 350
0.125	5	90 – 140	25 – 38	400 – 600
0.150	6	140 – 230	38 – 63	600 – 1.000
0.175	7	220 – 340	60 – 95	950 – 1.500
0.200	8	290 – 470	80 – 130	1.300 – 2.100
0.250	10	500 – 790	140 – 220	2.200 – 3. 500
0.300	12	790 – 1.260	220 – 350	3.500 – 5.500
0.350	14	1.150 - 1.800	320 – 500	5.000 – 8.000
0.500	20	2.950 – 4.540	820 – 1.60	13.000 – 20.000
0.750	30	7.920 – 13.680	2.200 – 3.800	35.000 – 60. 000

Fuente: (Relacion Diametro Tuberia - Caudal, 2014)

Nuestro valor de diámetro corresponde a un   valor nominal de pulgada de  y un diámetro interno de

El 0.50 pulgadas lo pasamos a mm. Esto con el fin de saber la longitud de nuestras tuberías

0.50 pulgadas=12.7 mm

Observamos la siguiente tabla y el valor más cercano será el diámetro interno junto con la longitud equivalente de perdidas.

Tabla 2. Longitud equivalente en tuberías
Diámetro Interno (mm.)	Curva 90° R – 3D	Curva  90°  R – 2D	Codo	Te	Manguera R - 100
	Longitud Equivalente en m de Tubo Recto de Igual Resistencia al Flujo
25	0.32	0.70	0.82	1.77	0.30
32	0.73	0.91	1.13	2.33	0.40
40	0.85	1.10	1.31	2.74	0.49
50	1-07	1.40	1.58	3.35	0.55
65	1.28	1.65	1.98	4.27	0.70
80	1.55	2.07	2.47	5.18	0.85

Fuente: (CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA, s.f.)

Se observa que el valor más próximo es de 25 mm. A partir de este valor determinamos la suma total de nuestro sistema hidroneumático. Esto será representado más adelante.

Determinamos las cargas

Para el siguiente cálculo se tomará como base la fórmula de Hazen – Williams ya que es una de las más populares para el diseño y análisis de sistemas de carga.

La fórmula dada a continuación determinará la perdida de carga por fricción en una tubería recta.

hf=10.67L*Q^1.85/(C^1,85*D^4,87 )

Donde:

Q=Caudal del fluido (m^3/s)

L=Longitud del tramo de la tuberia (m)

D=Diametro de la tuberia (m)

C=Coeficiente que depende de la naturaleza de las paredes de los tubos

Tabla 3. Coeficiente de Hazen – William
Material	Coeficiente
Asbesto – cemento (nuevo)	135
Cobre y latón	130
Ladrillo de saneamiento	100
Hierro fundido, nuevo	130
Hierro fundido, 10 años	107 – 113
Hierro fundido, 20 años	89 – 100
Hierro fundido, 30 años	75 – 90
Concreto, acabado listo	130
Concreto, acabado común	120
Acero galvanizado (nuevo y usado)	125
Acero remachado nuevo	110
Acero remachado usado	85
PVC	140
PE	150
Plomo	130 – 140
Aluminio	130

Fuente: (Iorencholl, 2010)

Entonces:

L=Corresponde solo al recorrido de la tuberia

hf=10.67 (175m)*〖(0.0016)〗^1.85/(〖(140)〗^1,85*(0.0127)^4,87 )

hf=34.88 m

Perdida de Presión en Válvulas y Conexiones

En las tuberías se pueden encontrar perdidas por varias causas, se debe estar preparado a contingencias si la tubería presenta alteraciones que cambien las características del flujo ocasionando perdidas de presión en conexiones y válvulas.

De acuerdo con la tabla (Ver tabla 4), esta nos muestra según el diámetro (D) y la longitud equivalente para cada accesorio.

FC=(C/100)^1.85

FC=Factor de corrección

C=Coeficiente de la naturaleza de los tubos (ver tabla 3):140

Reemplazando valores, tenemos que:

FC=(140/100)^1.85

FC=1.86 m

Por lo tanto, las perdidas por longitud serian de:

∑hf=hf+fc

∑hf=34.88 m+1.86 m→ ∑hf=36.74 

La presión mínima

La presión mínima se determina a partir de las alturas de trabajo

P=h+∑hf

h=Altura geométrica entre el nivel inferior y nivel superior del líquido:25 m

hf=Sumatoria de perdidas (tuberías y accesorios)

P=h+∑hf

P=47m+36.74m 

P=83.74 m  

Presión de salida

Esta presión tiene que ser tal que garantice la presión requerida en la toma más desfavorable

P=ρ*h*g

P=(997 kg/m^3 )(83.74 m  )(9.8 m/s^2)

P=818190  kg/m^2 *m/s^2 

P=118.67 PSI

Presión diferencial

Para obtener la presión mínima y máxima, tomamos un valor comercial. Este valor será de 

100 PSI≤Presion≤150

Este valor se puede ajustar, teniendo en cuenta el tipo de presostato escogido.

La potencia de la bomba en caballos de vapor a partir de la siguiente formula
pot=Y*Q*ht
Y=Peso  especifico:1000 kg/m^3
ht=Perdidas de carga
Para obtener el valor de ht debemos recordar que una vez que hayamos calculado el resultado de H-W le sumamos las pérdidas de accesorios y finalmente la altura a la que están los tanques. Eso da un valor de: 83.74 m   
Q=Caudal: 0.0016 
Pot=1000 kg/m^3 * 83.74 m*0.0016 m^3/s  
P ot= 134 CV
Volumen útil:
V_u=Q_max*K
V_u=Volumen útil
Q_max=Caudal en litros por minuto: 〖1.66〗^-  x 〖10〗^(-4)  m^3/s≈9.96 litros/minuto
K=Coeficiente de volumen útil  
El coeficiente de volumen útil va de acuerdo con potencia calculada. Este valor corresponde a 1,00
V_u=9.96 litros/minuto*1,00
V_u=9.96