OPTIMIZACIN DEL DISEO DE REDES HIDRULICAS EN EDIFICACIONES.

Dr. Mario Ulloa Ramirez1M en C. Cruz Martin Cortes Perez2.Resumen - Con el desarrollo de muebles de bajo consumo la aplicacin de las unidades de suministro de Hunter para instalaciones hidrosanitarias conduce a sobredimensionar el diseo; ya que los valores de estas unidades se determinaron experimentalmente con los materiales y accesorios existentes en la poca. Las unidades originales de los aparatos se han modificado en los cdigos, pero estos cambios fueron hechos subjetivamente, sin una correlacin con los parmetros del modelo. Por esta razn se realiz un seguimiento a la metodologa propuesta por Hunter, llevando a cabo ensayos con el fin de identificar el comportamiento de los muebles en funcin de las variables ms destacadas del mtodo. Analizando los datos obtenidos y calculando las nuevas unidades para los aparatos ensayados, se encontr que estos valores son significativamente menores que los recomendados en los cdigos locales e internacionales usados actualmente para el diseo. Se hizo una comparacin entre dos diseos para una edificacin, con las unidades originales y con las unidades obtenidas en la investigacin, encontrando diferencias radicales entre los caudales de diseo. As como en una reduccin en el consumo de agua.Abstract - The fixtures development of under consumption, the application of Hunters units supply for plumbing designs produces an over dimension; because the values of these units were determined experimentally with the materials and accessories of that time. The original fixtures units have modified in the codes, but these changes were made subjectively, without a correlation with the parameters of the pattern. For this reason it was carried out an analysis to the methodology proposed by Hunter, carrying out rehearsals with the purpose of identifying fixtures behaviours in function of the most outstanding variables in the method. Analyzing the results and calculating the new units for the rehearsed fixtures, it was found that these values are significantly smaller that those recommended in the local and international codes used at the moment for the design. A comparison was made between two designs for a building (using the original units vs. the units obtained in the investigation) finding mainly radical differences among the design flows rate that are reflected in an important decrease in costs of materials, in pipes, accessories and systems of pumping, as well as in a reduction in the water consumption.Palabras Clave: mtodo de Hunter, unidades de suministro, instalaciones hidrosanitarias.1 Instituto Politcnico Nacional Escuela Superior de Ingeniera y Arquitectura Unidad Zacatenco, Maetria en Hidrulica Mexico.DF... a 30 Calle 45 Tel: 3165000 ext. 13478; Fax 3165563 E-Mail: imc_03yahoo.com.mx

INTRODUCCINCon el desarrollo de nuevas tecnologas de produccin, manufactura de tuberas, accesorios hidrulicos y con el surgimientos de nuevos materiales como polmeros y aleaciones en las ltimas dcadas, muchos estudios hidrulicos que se derivan de anlisis empricos, como las unidades de suministro de Hunter, arrojan resultados imprecisos porque las unidades se determinaron experimentalmente con los materiales y accesorios existentes en la poca en que se efectuaron dichos estudios, lo que trae consigo sensibles consecuencias como errores en la estimacin de parmetros como caudal, presin, dimetros, etc. En las actuales instalaciones hidrulicas se utilizan elementos con caractersticas muy diferentes a los que se emplearon en estos estudios y por lo tanto se estn realizando diseos sobredimensionados y lgicamente con sobrecostos en los sistemas de bombeo, tuberas y accesorios en la red de suministro y como consecuencia en el sistema elctrico de las bombas y los espacios que ocupan. Por esta razn se hace necesario hacer un seguimiento a la metodologa propuesta por Hunter, hallando las unidades correspondientes para los aparatos usados en la actualidad, basados en el anlisis experimental de las caractersticas hidrulicas de los mismos, para as recobrar la vigencia y la precisin de dicha metodologa.METODOLOGACaracterizacin Hidrulica de los Aparatos EscogidosPara el estudio se escogieron los siguientes aparatos por considerarse representativos dentro del mercado mexicano, dividindose los aparatos en varios grupos y con una muestra por grupo como se describe a continuacin:Sanitarios Tipo Fluxmetro: 7 aparatos de las marcas Helvex, .Sanitarios Tipo Tanque: 3 aparatos de las marcas Corona y Toto.Orinales: 2 aparatos de las marcas Stern y Docol.Duchas o pomas: 9 aparatos de las marcas Deka, Grival, Docol y Accesorios y Acabados.Lavamanos: 4 aparatos de las marcas Docol, Stern y Toto.Lavaplatos: 2 aparatos de las marcas Peerless y Accesorios y Acabados.Los ensayos se realizaron en el rango de presiones de trabajo normal que puede encontrarse en una instalacin hidrulica convencional que funcione por bombeo. El rango del estudio est entre 5 y 80 psi ya que ste concuerda con las especificaciones de instalacin de los aparatos estudiados. Se tomaron datos de volumen y tiempo para cada dato de presin y para cada variacin en la graduacin del tornillo regulador en los aparatos que disponan de la posibilidad de regular el caudal de suministro. Con el fin de determinar las curvas de operacin que permiten identificar las caractersticas de trabajo de los aparatos se analizo el comportamiento de las variables generando las graficas correspondientes a Volumen vs. Presin y Caudal vs. Presin.Mediante el anlisis de las graficas Volumen vs. Presin, figura 1, se pueden identificar la presin de operacin mnima de los aparatos a la vez que se puede determinar la posicin de giro ptima del tornillo regulador de los fluxmetros, teniendo como criterio un buen funcionamiento del aparato con un volumen mnimo de consumo en el rango de presiones ensayado.A partir de los datos de Volumen y Tiempo se generan los datos de Caudal de lo cual se puede obtener una grafica de Caudal vs Presin, figura 2, estos datos sern la base de entrada para hallar la unidad de suministro de Hunter para cada aparato y en funcin de la presin de trabajo.

Clculo de las Unidades de Hunter para los Aparatos EnsayadosEl clculo de las unidades de Hunter se har para cuatro rangos de presin, esto con el fin de optimizar el consumo de agua de manera racional. Como se conoce experimentalmente la variacin del caudal en funcin de la presin, se calcula las unidades respectivas para intervalos de presin enla tubera de salida de 0 a 20 psi, de 20 a 40 psi, de 40 a 60 psi y de 60 a 80 psi. De esta manera se puede llevar a cabo un diseo ms eficiente teniendo en cuenta la presin en la red en tramos especficos. Como el caudal consumido aumenta para incrementos en la presin se puede generar una curva de unidades de Hunter en donde se observe el comportamiento de las unidades del aparato en estudio para condiciones de presin especficas. Para efectos de generar la tabla de unidades de Hunter se us el rango de presiones antes mencionado asignndole a cada uno el caudal correspondiente a la presin mxima del intervalo.El procedimiento para el clculo de la unidad de Hunter es el siguiente:a-) Identificar las variables necesarias para el clculo:T = Duracin en segundos entre los usos sucesivos de cada elemento individual.t = Duracin en segundos de funcionamiento de un aparato.p = Probabilidad de que un elemento particular sea encontrado funcionando en un instantearbitrario de observacin del sistema. p = t/TV = Volumen de agua descargada por el aparato en el rango de presin analizado.Q = caudal de trabajo del aparato para el rango de presin analizado, Q = V/tb-) Con los datos anteriores se lleva a cabo el anlisis de probabilidades para determinar cuntos aparatos funcionan (m) a partir de los aparatos conectados (n), con el criterio de funcionamiento simultneo de 1%. Este anlisis de probabilidad se llev a cabo por medio de un programa desarrollado en Microsoft Excel que reproduce el proceso de clculo desarrollado por Hunter2 para determinar el nmero de aparatos funcionando a partir de un valor conocido de aparatos conectados en la red.c-) Con el programa se generan relaciones de n contra m con la probabilidad evaluada para cada aparato.d-) Al multiplicar el nmero de aparatos en funcionamiento por su caudal promedio se generan las graficas de Aparatos conectados vs. Caudal para cada aparato.e-) Se observa la relacin entre los aparatos conectados de fluxmetro base de Hunter y los del aparato estudiado, tomando el valor tradicional de 10 unidades para fluxmetro base. Las unidades correspondientes para el aparato ensayado sern:Unidades Aparato ensayado = Nmero de Fluxmetros base conectados * 10 (1)Nmero de Aparatos ensayados conectadosEl procedimiento anteriormente descrito es para una presin especfica, pero de la caracterizacin hidrulica se ve que los aparatos varan su caudal y su tiempo de funcionamiento en funcin de la presin, por lo tanto se pueden generar graficas de Unidades vs. Presin para cada aparato.2 Ver Revista Plumbing Engineering Articulo Resolviendo el Problema del Sistema Mixto por James Breese Articulo Ingeniera de Suministro y Sistemas de Drenaje por Thomas P. Konen, P.E.RESULTADOSDe la caracterizacin hidrulica se puede apreciar que existen dos tipos de aparatos segn su comportamiento Volumen vs. Presin, los que permanecen constantes frente a la variacin de la presin, que llamaremos de ciclo fijo, y un segundo tipo, al cual pertenecen la mayora de los aparatos ensayados, que aumenta su consumo al aumentar la presin de trabajo, dndose el caso crtico con las duchas las cuales pueden aumentar hasta en un 200% su consumo al variar la presin de 5 a 50 psi.Lo anterior se manifiesta al calcular las unidades de Hunter para los aparatos ensayados, ya que se obtienen diferentes valores de unidad en funcin de la presin de trabajo, a continuacin se presenta la tabla resumen para los fluxmetros ensayados donde se aprecia la cada sustancial frente al valor tradicional de 10 unidades para un fluxmetro en la metodologa de diseo de Hunter.Tabla 1 Unidades de suministro y su relacin con la presin de operacin para diferentesaparatos de fluxmetroUNIDADESPRESIN (PSI)

Aparato20406080

Fluxmetro Palanca Toto2,052,542,93,72

Vlvula de descarga Docol2,453,674,8410,45

Fluxmetro Palanca Sloan1,962,442,723,08

Fluxmetro de Palanca Docol3,234,525,317,15

Fluxmetro Elctrico mixto Toto2,473,444,395,23

Fluxmetro Elctrico mixto Venus1,21,912,84,12

Fluxmetro Bateras mixto Toto1,561,562,182,51

Para visualizar la importancia de estos resultados analicemos el caudal requerido en un sistema de bombeo con 100 fluxmetros instalados en la red de suministro, cantidad que es usual encontrar en un centro comercial: por el mtodo tradicional asignaramos 10 unidades a cada fluxmetro, tendramos 1000 unidades que corresponde a un caudal de 12,62 LPS, con las nuevas unidades y el aparato ms eficiente de los estudiados tendramos un valor de 1.56 unidades por fluxmetro, para un total de 156 unidades y un caudal de 5,05 LPS. Se reduce en un 60% el caudal de diseo. Esta misma proporcin tiende a mantenerse cuando se disea la red con griferas conectadas de diferente tipo, una vez halladas las unidades de suministro correspondientes para cada aparato.Si las frecuencias y picos de uso se mantienen iguales en el sistema de bombeo de nuestro ejemplo, se deduce que para caudales pico menores se obtendr una disminucin generalizada en los volmenes consumidos, lo que redundar en el aprovechamiento eficiente del recurso hdrico y en beneficio de los propietarios de las instalaciones.CONCLUSIONES Con esta informacin el diseador puede optimizar el diseo de la red, ya que conoce el comportamiento real de los aparatos, donde la presin de trabajo juega un papel fundamental, y las nuevas unidades garantizan que no se sobredimensione la red de suministro ni los equipos de bombeo reduciendo los costos constructivos. Una buena calibracin de las griferas a instalar en la red, teniendo en cuenta la variacin en la posicin del tornillo de regulacin de caudal para los fluxmetros y el control de la presin de los aparatos por medio de vlvulas reguladoras de presin, evitan el desperdicio excesivo de agua y permiten que la red trabaje de una forma eficiente, lo cual no solo incide en costos para el usuario final por la reduccin en los volmenes de consumo, sino que los costos de construccin, operacin y mantenimientos sern mucho menores en comparacin con edificios diseados mediante las unidades tradicionales. En los cdigos y normas que rigen el diseo de las redes hidrosanitarias se hace necesario modificar los valores de las unidades de suministro con el fin de divulgar la justificacin experimental de lo que se conoce desde el ejercicio profesional y la experiencia. Los fabricantes de griferas de bajo consumo debern proveer las curvas caractersticas de sus aparatos para que se puedan determinar las unidades correspondientes para cada uno.