Castillo Anselmi_agua edificios.pdf

INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

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pluvial, a la demanda de alimentos, al avance y desarrollo de la industria. Así por ejemplo el riego representa alrededor del 40% en los Estados Unidos y el 30% en Europa, mientras que la cuota para la Industria sube bruscamente a un 85% en Bélgica y Finlandia, En docenas de países en desarrollo, la cuota ocupada por la industria es menor que un 5%. Cada uno de estos usos del agua es tan importante que deben analizarse considerando los factores de cantidad, calidad, continuidad, costo y sobre todo disponibilidad, sin descuidar los aspectos de preservación y conservación de los recursos hídricos. AGUA PARA CONSUMO HUMANO O DOMESTICO El término "consumo humano'; tiene su origen con la aparición del hombre ya que uno de los elementos principales para su existencia fue el agua como alimento y medio de aseo. Cuando el hombre decide vivir en grupo y bajo techo aparecen otras actividades como la preparación de alimentos, lavado de ropa y utensilios, construcción, etc., apareciendo el termina"domestico" Actualmente se utiliza el término consumo humano para referirse al agua con la calidad necesaria para ser consumida como bebida y para preparación de alimentos. Sin embargo el crecimiento y la evolución de las poblaciones y ciudades con sus industrias, actividades agrícolas modernas, etc. ha hecho que para suministrar el agua a las edificaciones, se deba pensar en varios aspectos como calidad, cantidad, cobertura, continuidad, costo y disponibilidad, a fin de proyectar y construir los sistemas que garanticen un servicio adecuado. Si bien todos estos parámetros tienen importancia y deben cumplirse para considerar que el servicio es eficiente, el aspecto de calidad es fundamental, debiendo cumplir con las Normas de Calidad vigentes sobre todo lo relacionado con la calidad Bacteriológica. ACONDICIONAMIENTO DE LA CALIDAD Si el agua potable para una edificación es entregada por una Empresa Prestadora de Servicios, la responsabilidad de su calidad es de esta Empresa, pero cuando la edificación debe contar con fuente propia, la responsabilidad de la calidad es del propietario. La Empresa o el propietario están sujetos al control de calidad por la Autoridad competente. Tanto la Empresa Prestadora como el propietario a través del proyectista, deberá preocuparse de verificar la calidad del agua con los análisis físico químico y bacteriológico de la fuente y de ser necesario realizar el tratamiento adecuado de acuerdo a las normas vigentes para cumplir con las Normas de calidad de agua vigentes en el País. Cuando se trata de agua para consumo industrial el proyectista deberá obtener la información de la calidad de agua que necesita la Industria en particular a fin de considerar, de ser necesario, los procesos de tratamiento que acondicionen el agua a las necesidades de la Industria. REQUERIMIENTOS Las diferentes actividades que el hombre realiza en las edificaciones generan un requerimiento de agua de acuerdo a la actividad y uso. Este requerimiento se refleja en la llamada dotación .

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, . Editorial Macro

INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

La dotación de agua para una edificación está relacionada con tres parámetros: la cantidad de agua expresada en unidades de volumen; el tipo de usuario expresado en habitantes, área u otra unidad y el tiempo en el cual es consumida esa cantidad de agua. Las dotaciones mínimas están establecidas en las normas de diseño vigentes. Los habitantes de una edificación consumen una cantidad de agua en un tiempo determinado que por razones de repetición de hábitos se considera un día. A este concepto se denomina consumo diario. Como el consumo es variable durante el día debido a que el agua se utiliza en cantidades variables en diferentes momentos se establece el concepto de demanda y demanda máxima cu ando esta es la mayor. Si esta demanda la relacionamos con la simultaneidad de uso de los aparatos sanitarios, establecemos el concepto de máxima demanda simultánea. os conceptos anteriores se refieren al consumo domestico, sin embargo cuando se proyecta instalaciones de uso industrial, o de uso especial, será necesario obtener la información del consumo directamente de los expertos en los procesos industriales que se llevaran a cabo en la industria en particular o de los especialistas en el caso de otras actividades especiales. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA UTILIZADOS EN EDIFICACIONES El objetivo y la función de un sistema de abastecimiento de agua para una edificación es suministrar al usuario agua de buena calidad apta para consumo humano u otros usos, en cantidad suficiente, con una presión adecuada y durante las 24 horas del día a través de los aparatos sanitarios, artefactos y equipos conectados a los puntos de salida necesarios. Para lograr el objetivo será necesario estudiar las características de la edificación y sus requerimientos y plantear el sistema más eficiente y económico. A continuación se exponen los sistemas de abastecimiento de agua más usuales cuyo uso dependerá de las características de la edificación y de la fuente de agua, ya sea la red pública o fu ente propia, de los cuales se podrá escoger el más conveniente, eficiente y económico para cada caso. Al presentar cada uno de los sistemas estableceremos las condiciones en que puede ser utilizado, los componentes o elementos de que consta y las ventajas y desventajas que tienen cada uno de ellos. Más adelante se mostrará el método de dimensionamiento y cálculo para cada uno de los elementos que forman parte de los diferentes sistemas. SISTEMA DIRECTO

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Llamado así porque el agua potable es utilizada directamente del sistema público, previa factibilidad otorgada por la Empresa o ente administrador, o de la fuente propia con la presión y el caudal necesarios. Esto significa que para optar por este sistema, deberá verificarse que se cumplan las dos condiciones (caudal y presión necesarias), durante las 24 horas del día.

INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

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El sistema propiamente dicho consta de una red de distribución que se inicia en la conexión domiciliaria, en el límite propiedad y termina en cada uno de los puntos de salida instalados para conectar los aparatos sanitarios o artefactos y equipos con necesidad de agua. Ver figura NO.01 Para el caso de utilizar la red pública de la ciudad el nexo entre esta y la red de distribución mencionada es una conexión domiciliaria que incluye generalmente un sistema de micro medición y que es administrada por el concesionario.

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Ventajas: • No hay contacto del agua con el medio ambiente, no existiendo por lo tanto puntos de posible contaminación. • Bajo costo inicial y de operación y mantenimiento. • No utiliza equipos

• Está supeditado a la calidad, continuidad y presión del sistema público.

SISTEMA TANQUE ELEVADO

Si no se cumplen las dos condiciones para utilizar el sistema directo, es decir si la red pública no garantiza el caudal y presión necesarias para que un sistema directo funcione correctamente durante las 24 horas del día, es necesario recurrir a otro sistema que permita se cumplan con las condiciones para un eficiente servicio. Normalmente los sistemas públicos de abastecimiento de agua potable están diseñados con la capacidad y caudal para cubrir las demandas de la ciudad incluyendo su expansión; y con presiones máximas y mínimas y variables entre horas de máxima y mínima demanda. Una alternativa es utilizar un tanque elevado con capacidad para el1 00% del consumo diario y en una cota que permita dar la presión o carga suficiente para el sistema. Para ello será necesario verificar que la presión en la red pública por lo menos en las horas de mínimo consumo sea suficiente para permitir el llenado del tanque y cuyo volumen se pueda utilizar en las horas de máximo consumo. Este sistema consta básicamente de una tubería de alimentación que se inicia en la conexión domiciliaria y que termina en el tanque elevado, permitiendo su llenado; un tanque elevado con la capacidad y altura referidos anteriormente y una red de distribución que se inicia en el tanque elevado y termina en cada una de las salidas de agua para conectar los aparatos sanitarios, artefactos o equipos con necesidad de agua. Ver figura No. 02 Por lo general las horas de mínimo consumo son entre 12.00 m y las 05.00, durante las que debe llenarse el tanque elevado .

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INGENIERíA Y GESTIÓN

• :

Abastecimiento de agua para Edificaciones

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PRESION MINIMA EN LA RED

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ESQUEMA ISOMETRICO s,

FIG. 7

EJEMPLO

#1

INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

SISTEMA TANQUE ELEVADO

Como se mencionó en la descripción, el sistema consta de una tubería de alimentación, un tanque elevado y una red de distribución . Para estar seguros que podemos utilizar este sistema, debemos verificar que la presión en la salida de la conexión domiciliaria cuando menos en las horas de minimo consumo sea mayor que la presión necesaria estimada para llenar el tanque. La presión necesaria para llenar el tanque la podemos estimar, sumando la altura estática o física, desde la conexión domiciliaria hasta el nivel de entrada al tanque, mas una presión de salida de aproximadamente 2 o 3 m, mas una pérdida de carga estimada, considerando la longitud total desde la conexión hasta el tanque y un factor de conducción deiS al 10%. Si esta condición se cumple, podremos elaborar el diseño preliminar y real izar el dimensionamiento y los cálculos de cada uno de los elementos del sistema. TANQUE ELEVADO

El volumen del tanque elevado será igual al 100% del consumo diario calculado sobre la base de los usos de los diferentes ambientes de la edificación y las dotaciones correspondientes. Obtenido el volumen se fijará las dimensiones (largo, ancho y alto), considerando que la altura total debe ser la adecuada para que una persona pueda ingresar para realizar la limpieza periódica y que deberá mantenerse una altura libre sobre el nivel de agua, teniendo en consideración lo establecido en la Norma vigente. Deberá así m ismo contar con una ventana de inspección que llevará una tapa sanitaria. La ubicación del tanque elevado deberá fijarse en coordinación con el Arquitecto y el Ingen iero estructural, teniendo en cuenta la altura necesaria para dar la presión suficiente al sistema y el fá cil acceso. La altura necesaria podrá estimarse ubicando el fondo del tanque a 3.00 m de la sa lida más alta, debiendo posteriormente al cálculo ajustarse al valor real. Se le dotará de una tubería de ingreso controlada por una válvula de control de nivel, generalmente tipo flotador, una tubería de salida a la red de distribución y una tubería de vaciado controladas por una válvula de interrupción y una tubería de rebose, todas ubicadas teniendo en cuenta lo establecido en la Norma vigente. TUBERíA DE ALIMENTACIÓN

•

Esta tubería deberá ser trazada desde la caja del medidor hasta el tanque elevado, procurando el menor recorrido posible, y con la menor interferencia con los elementos constructivos y estructurales Para determinar el diámetro, utilizando la formula de Hazen-Williams, será necesario conocer el cau dal Q y la pendiente o factor de conducción S.

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INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

Determinación del caudal

-

El caudal de llenado del tanque elevado se determina dividiendo el volumen del tanque entre el tiempo de llenado (horas de mínimo consumo), que se estima entre 4 o 6 horas.

Determinación de S Como se ha mencionado anteriormente la pendiente o factor de conducción se determinará dividiendo la presión disponible entre la longitud total. La presión disponible es el resultado de restar de la presión en la red pública, la altura estática o física entre la salida del medidor y el punto de ingreso al tanque elevado y la presión de salida en dicho punto. La longitud total se establece sumando la longitud física entre la salida del medidor hasta el ingreso al tanque, mas la longitud equivalente (Ver Pág. 35), ajustándose posteriormente en la segunda aproximación en la que se lleva el diámetro calculado a un diámetro comercial, con el que se ajusta el factor de conducción S, se determ ina la perd ida de carga y se verifica la velocidad. RED DE DISTRIBUCiÓN

La red de distribución debe ser dimensionada o calculada tramo por tramo, desde la salida del tanque elevado hasta la salida correspondiente a cada uno de los aparatos sanitarios o artefactos o equipos con necesidad de agua en la edificación utilizando la forma de Hazen Williams. Para ello será necesario establecer todas las características de cada uno de los tramos, es decir : ubicación, longitud total (longitud física + longitud equivalente), unidades de gasto, caudal y pendiente o factor de conducción, el cual se establece teniendo en cuenta la presión disponible y la longitud total del tramo entre la salida el tanque elevado y el punto más desfavorable de entrega. La presión disponible se establecerá restando de la altura física entre el fondo del tanque y la salida más alta, la presión de salida en dicha salida . Con estas características se irá calculando tramo por tramo, estableciendo el diámetro, el cual se llevará a un diámetro comercial y se ajustará el factor de conducción, verificando la velocidad y estableciendo la perdida de carga y la presión de salida en cada punto.

EJEMPLON°2 Se t rata de dimensionar y calcular los elementos de un sistema agua potable indirecto "tanque elevado" que si rve a una vivienda bifamiliar de dos pisos de acuerdo a la figura No. 8 y que cuenta con dos departamentos de cuatro dormitorios, un servicio sanitario con inodoro, lavatori o y ducha y un lavadero, cada uno. La presión en la red pública, después del medidor es de 14 m.

Verificación de presión Altura estática Presión de salida Perdida de carga

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Editorial Macro

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EJEMPLO

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Editorial Macro

INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

TUBERíA DE SUCCiÓN

El diámetro de la tubería de succión se establece generalmente considerando un diámetro comercial mayor a la tubería o línea de impulsión. En la Fig. N° 16 se muestra un sistema de bombeo en el que se incluye el equipo, la tubería de succión, la tubería de impulsión y los elementos mínimos, como válvulas y accesorios que deben tenerse en cuenta para su correcto funcionamiento. Aquí es importante mencionar que dependiendo de las dimensiones del sistema de bombeo, puede ser necesario realizar un estudio más minucioso de las condiciones hidráulicas a fin de evitar sobre presiones, aire y otros fenómenos que puedan dañar el sistema, para lo cual podrá utilizarse válvulas especiales, que resuelvan estos problemas. Ver textos especializados en golpe de ariete, expulsión de aire, etc. Es necesario así mismo tener presente en los sistemas de bombeo el material a utilizar así como el uso de uniones flexibles, a fin de evitar que las vibraciones deterioren los elementos del sistema. RED DE DISTRIBUCiÓN

El dimensionamiento y cálculo de la red de distribución desde el tanque elevado hasta cada una de las salidas se hará siguiendo el mismo procedimiento explicado en el sistema Tanque elevado.

EJEMPLON°3 Se trata de dimensionar y calcular todos los elementos de un sistema indirecto CisternaTanque elevado que sirve a una vivienda bifamiliar con las mismas condiciones del ejemplo N° 2 (Fig. N° 17).

Cisterna Las características y condiciones son descritas anteriormente y su volumen será como mínimo las tres cuartas partes del consumo diario que para este caso es de 2,700 x 0.75 = 2,025 litros.

Tanque elevado Las características y condiciones serán las descritas en el ejemplo N° 1 Y su volumen será como mínimo de un tercio del consumo diario que para este caso será de 2,700/ 3 = 900 litros. Sin embargo deberá considerarse un mínimo de 1,000 litros pues así lo indica la norma vigente. Dimensiones: 1.00 x 1.00 x 1.00 + 040 m

Tubería de alimentación a la cisterna Caudal (Q) = 2,025 1. / 4 Hex 3,600 s. = 0.141ps

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INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

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Editorial Macro

17

EJEMPLO #3

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INGENIERíA Y GESTIÓN

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Abastecimiento de agua para Edificaciones

Presión disponible I longitud total

Presión disponible = Presión en la red - altura estática (he) Presión en la red pública = 14 m. Altura estática = - 0.30 m. Presión dispon ible = 14 m. + 0.3 m. = 14.30 m.

s=

14.07 I 14.30 = 0.98 = 980 milésimos

Aplicando la fórmula de Hazen Williams: Diámetro = 0.33 pulg. Ll evando a diámetro comercial : 0.5 pulg. Recalculando s: 124.7 milésimos

v

= 1.03

mis.

El diámetro de la tubería de alimentación será de 112':

Equipo de bombeo Determinación de las características para su selección : Caudal de bombeo = Máxima demanda simultanea: 0.5 Ips. Caudal para llenar el tanque en dos horas: 0.14Ips. Se toma como caudal de bombeo: 0.5 Ips. Altura dinámica total =Altura estática elevación (hd) + Altura estática de succión (hs) + Pérdida de carga en la succión y elevación (Hf). Altura estática de elevación = 8.60 m. Altura estática de succión = 1.90 m.

•

Pérdida de carga en la elevación o descarga = Longitud total x 0.05 _on gitud total = 9.60 m. (Lf) + 9 m. (Leq) = 18.60 ::>érdida de carga en la elevación = 18.60 x 0.05 = 0.93 m. ?érdida de carga en la succión = Longitud total x 0.05 _on gitud total = 1.90 m. (Lf)

+ 7 m. (Leq) = 8.90 m.

Editorial Macro

A.,._

INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

-

Pérdida de carga en la succión = 8.90 x 0.05 = 0.45 m. Altura dinámica total (HDT)

= 8.60 + 1.90 + 0.93 + 0.45 = 11.88 m

Tubería de impulsión Caudal = 0.5 Ips.

s=

50 milésimos (estimado)

Aplicando la fórmula de Hazen Williams: Diámetro = 0.978, llevando a diámetro comercial = 1" Recalculando S = 45 milésimos.

v

= 0.92 mis

Red de distribución La red de distribución se diseñará y calculara tramo por tramo bajo el mismo procedimiento referido en el sistema cisterna - tanque elevado.

SISTEMA CISTERNA - EQUIPO DE PRESURIZACIÓN

El dimensionamiento y cálculo de los elementos de este sistema se realiza bajo los siguientes lineamientos: Cisterna La cisterna tendrá la capacidad o volumen útil equivalente al consumo diario y sus características, dimensiones y ubicación se establecerá de acuerdo a lo descrito en el sistema cisterna - tanque elevado.

Tubería de alimentación a la cisterna Igualmente se seguirá el procedimiento descrito en el sistema cisterna-tanque elevado

Equipo de presurización El equipo que remplace al tanque elevado y que dé el caudal y la presión adecuados al sistema puede ser un equipo hidroneumático o un equipo de presión constante. Eq uipo hidroneumático El eq uipo hidroneumático para suministro de agua a presión tiene por finalidad entregar JI caud al variable a una presión también variable entre una máxima y una mínima y que su ::_"cionam iento se basa en la presión mantenida en un rango establecido por una compresión : - ~a desco mpresión que sufre un volumen de aire contenido en un deposito herméticamente orial Macro

INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

Gi.,j

cerrado. transmitida por un volumen de agua introducido por una bomba y extraído a través de un orificio conectado al sistema. Todo hidroneumático, cualquiera que sea su tamaño consta de los siguientes elementos: • Una o más electro bombas, como equipo elevador de presión y que deberá entregar el caudal requerido al sistema a la presión máxima, con sus elementos de arranque y protección. Puede utilizarse tanto bombas centrifugas de eje horizontal como de eje vertical. • Un compresor de aire o cualquier otro artefacto capaz de suministrar aire a presión. • Un depósito a recipiente a presión, llamado comúnmente tanque neumático, capaz de soportar la presión máxima, cuya capacidad o volumen está en relación al caudal y presiones requeridos. • Un dispositivo adecuado para mantener las presiones y/o el nivel de agua en el tanque (interruptor de presión, control de nivel). • Dispositivos de medición y control como manómetro, válvula de seguridad, medidor de flujo. El cálculo y dimensionamiento de un equipo hidroneumático, se inicia por la determinación del volumen del tanque neumático y este se basa en la Ley de Mariotti: PVk = Constante. Si tenemos (Ver figura No. 18): Vu = Volumen útil del tanque V1 = Volumen del aire al final de la compresión V2 = Volumen del aire al final de la expansión o descompresión Pu = presión absoluta cuando Vu = O P1 = Pl + 1. Presión absoluta alcanzada al final de la compresión P2 = P2+ 1. Presión absoluta alcanzada al final de la descompresión. Vm = Volumen de agua contenida en el tanque entre una conexión y desconexión de la Bomba. Aplicando la Ley de Mariotti, se llega a: o

Vm es tanto más grande cuando Pu y P1 son mayores y P2 es menor. P1 es la presión máxima de trabajo y está limitada por el valor que deba soportar la instalación fijado generalmente en los reglamentos y P2 es la presión mínima, representada por el valor suficiente para satisfacer la instalación. Por el contrario Pu es la presión inicial en el tanque, representada por la presión atmosférica, pero que se puede aumentar hasta el valor de P2' es decir se puede hacer Pu = P2' Esto representada una disminución en el tamaño del tanque.

Editorial Macro

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INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

En una instalación sin compresor en que Pu = 1:

Yen una instalación con compresor en que Pu = P2: Vu = Vm • PI I PI - P2; en presiones relativas: Vu = Vm • PI + 1 I PI + P2· Siendo Vm el volumen de agua que se desplaza ya sea como consumido por el sistema o repuesto por la bomba, tiene relación con el caudal de salida que llamaremos (E), o con el caudal de entrada que llamaremos (A) y con el tiempo de desplazamiento que está representada a su vez por el tiempo durante el cual la bomba funciona (Tt) y el tiempo durante el cual la bomba está parada (To). La suma de Tt + To es llamado el periodo de disparo (T). Es importante tener presente que el número de disparos (Sc) debe ser el menor posible tomando como unidad una hora a fin de evitar que los contactos del sistema de arranque de la bomba pudiesen aumentar la temperatura. Teniendo en cuenta lo anterior se puede expresar:

En realidad los dos caudales A y E son los mismos como parámetros de diseño, por lo que: T

= 2.VmIA

y considerando que Tsc

= 60'

: Vm

= 30. A/Sc.

Para efectos del cálculo de Vu ' se aplica: Vu = 25 A/Sc . (PI + 1) (P2+ 1) I PI - P2' sin compresor y Vu = 25 A/Sc. PI + 1 I PI - P2' con compressor. Para obtener el volumen real total del tanque es necesario aumentar un 10% para compensar el volumen comprendido entre la salida y el fondo y un 10% adicional a los equipos con compresor como margen de seguridad para la eventual descarga el aire.

• El volumen real del tanque resultará entonces: Vu = 27.5 A/Sc. PI + 1 I PI - P2' sin compresor y Vu = 30 A/Sc . PI + l/PI - P2' con compresor. Para aplicar estas formulas que sirven para hallar el Volumen del tanque es necesario conocer el número de arranques y las presiones mínima y máxima de trabajo.

Editorial Macro

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INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

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Se recomienda que el número de arranques este dentro de los siguientes rangos:

Potencia

No. De arranques /hora (promedio)

Pequeñas

- de 1 HP

20 (16-24)

Medianas

1 aS HP

13 (10-16)

+ de 5 HP

8(6-10)

Tamaño de la instalación

Grandes

• La presión mínima P2 será igual a la suma de la altura estática o física entre la salida del equipo y el punto más alto de suministro más la presión de salida en dicho punto más la perdida de carga que se produce en el recorrido desde la cisterna hasta el punto más desfavorable. La presión máxima se establece adicionando a la presión mínima un valor recomendado por la experiencia y que se estima en aproximadamente 20 psi. o 1.4 atmósferas. Por otro lado es también importante tener presente ciertas consideraciones del tipo electromecánico al momento de dimensionar y seleccionar el equipo. • Se pueden utilizar dos o más tanques en paralelo • El aire en el tanque debe mantenerse constante. Debido a que el aire se mezcla gradualmente con el agua se debe instalar un dispositivo capaz de reponer el aire perdido. Para medianas y grandes instalaciones este dispositivo es un compresor mecánico escogido con la capacidad suficiente y la presión necesaria. Para instalaciones pequeñas y algunas medianas se puede reemplazar por un cargador de aire hidráulico con buenos resultados, pudiendo funcionar hasta con tanques de 2,000 galones siempre que las presiones e operación no excedan de 5 Kg./cm 2• Para el cálculo del volumen del tanque puede utilizarse gráficos que relacionan los parámetros antes estudiados teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas. Para la determinación del dispositivo de aire puede utilizarse tablas con recomendaciones teniendo en cuenta la capacidad del tanque o calcularse considerando lo siguiente: El dispositivo (compresor), debe ser capaz de inyectar el volumen de aire efectivo en dos horas a la presión mínima de trabajo. La o las bombas deberán seleccionarse con los siguientes parámetros: Caudal (Q) = Máxima demanda simultanea. Altura dinámica Total

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Presión máxima de trabajo del tanque neumático.

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INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

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Bombas de presión constante y velocidad variable Son bombas centrífugas de eje horizontal o vertical a las que se acopla un variador de velocidad y un control electrónico para mantener una presión constante en el sistema, siendo el caudal variable de acuerdo a la demanda que se produce en la edificación. A mayor demanda, mayor velocidad y a menor demanda, menor velocidad. Esto hace que el consumo de energía sea menor Las bombas de presión constante deben seleccionarse con el caudal (Q) correspondiente a la máxima demanda simultanea y la altura dinámica total igual a la presión máxima calculada para el sistema. Al seleccionar el equipo de bombeo deberá definirse si se instalan una o más bombas y cuál será el caudal para cada una de ellas dependiendo del tamaño del sistema, el criterio del proyectista y la seguridad que se quiera dar al sistema. RED DE DISTRIBUCiÓN

La red de distribución se inicia en el equipo de presurización y llega hasta cada uno de los puntos de salida de agua. El cálculo de los diámetros, se hará tramo por tramo determinando los caudales en cada uno de ellos por el método de unidades de gasto y estimando una pendiente S o factor de conducción en un promedio del 5%, llevando los diámetros a valores comerciales, verificando S y estableciendo las pérdidas de carga, la presiones de salida y las velocidades. EjemploN°4

Dimensionar los elementos de un sistema cisterna-equipo de presurizaclon para una vivienda multifamiliar que consta de tres pisos con un departamento de tres dormitorios por piso y con las características que se muestran en la figura N° 19.

Datos básicos N° Departamentos de tres dormitorios: 3 Dotación : 1,200 I/D/d Consumo diario = 1,200 x 3 = 3,600 I Máxima demanda simultanea: 9 UH/D x 3 27 UH . = 0.69Ips.

• Cisterna Volumen = Consumo diario = 3,600 I Dimensiones = 1.25 x 2.40 x 1.20 + 0.4 m. Las características y ubicación serán las mismas que para los ejemplos anteriores.

Tubería de alimentación Se segui rá el mismo procedimiento que para el ejemplo N° 3

Editorial Macro

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INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

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MEDIDOR

1.20

LONGITUD

U.H.

TRAI.IO

nSICA EOUIVALENTE TOTAL

•

S

Hf

Ps

V

Ips

pul9

mil6simos

m.

m.

mis

%

%3

0.76

5.25

0 .82

0 .1 7

4.08

0.92

0 . 14

3.94

0.60

0.11

3.83

0 .81

0.75

0.03

3.74

0.75

0.50

0 .78

2.96

0.73

O

A -

B

6.00

7.00

13.00

27

0 .70

B -

e

2.20

1.50

3.70

18

0.50

e- o

4.00

3.00

7.00

9

0.32

O -

E

0 .75

1.50

2.25

6

0 .25

E -

F

0 .60

1.50

2.50

5

0.23

F- G

1.65

10 .00

11.65

2

0 .1 0

1.25

~ ~ ~ Xc

% %

0.75

X

~ ~ ~

39.70

FIG. 19

MM

Editorial Macro

EJEMPLO #4

INGENIERíA Y GESTIÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones

Equipo de presurización Equipo hidroneumático Caudal (Q) = 0.69 Ips. = 41.4 Ipm. Presión mínima (P2)

=

Presión máxima = 1.6

11.40 (he)

+ 1.4

Número de arranques = Vu (sin compresor)

= 27.5 x

+ 2 (Ps) + 2 (Hf) = 16.40 = 1.6 atmósferas.

= 3 atmósferas.

24 41.4 /24 x (3

+ 1) (1.6 + 1) / 3 - 1.6 = 352 1.

Electro bombas: 02 para Q = 0.35 Ips. (50% de QI) y HDT

= 3 atmósferas = 31

m.

Por tanto el equipo hidroneumático constará de una electro bomba centrífuga de eje horizontal, con capacidad para Q = 0.35 Ips. y HDT = 31 m.; un tanque de presión de 352 litros de capacidad; un cargador de aire y los elementos de control respectivos (interruptor de presión, manómetro, control de nivel de aire, agua, válvula de seguridad y tablero de control) .

RED DE DISTRIBUCiÓN

Ver cuadro de cálculo. Hemos estudiado todos los sistemas de abastecimiento de agua individualmente, sin embargo dependiendo del tamaño y de la complejidad de la edificación estos sistemas se pueden combinar para dar mayor eficiencia al servicio y evitar sobredimensionamientos, costos mayores, sobrepresiones. En edificaciones muy altas el sistema podrá subdividirse ya sea utilizando dos o más subsistemas iguales o diferentes o estableciendo zonas de presión con válvulas reductoras de presión o mas de un equipo de presurización. El trazado, dimensionamiento y calculo será siempre el mismo. La tendencia actual en las edificaciones dedicadas a vivienda debido a las dificultades que afrontan las Empresas prestadoras de servicios en el aspecto comercial, es la instalación de medidores de caudal en cada una de las unidades de uso de la edificación, debiendo en este ca so elaborarse el diseño teniendo en cuenta este requisito ya sea con los medidores colocados en el ingreso de la edificación, en cada uno de los pisos donde se encuentran las unidades de so o en los techos considerando los sistemas de lectura ya sea directa o a distancia. TRANSITORIOS

=-s sabido que un

transitorio es usualmente reconocido por un golpe en las tuberías de agua presión. Cuando se trata de ramales en los sistemas de agua en las edificaciones, el ruido ocurre cuando el flujo en movimiento es instantáneamente interrumpido por el cierre de .. na válvula. Esta repentina parada provoca una presión mucho mayor, la cual asemeja a una ::>equeña explosión en la tubería. Esta presión, se expande por todo el sistema, sacudiendo a tu bería hasta ser absorbida. Normalmente una bolsa de aire existente dentro de la tubería ~ ede absorber la presión, pero si esta no está presente la onda de presión ampliada puede ::eteriorar la tubería. 3

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_i_

INSTALACIONES SANITARIAS PARA EDIFICACIONES

-

Especialistas han demostrado que el transitorio es una función de la velocidad del agua en la tubería y que se puede calcular el aumento de presión producido por la parada brusca . Así mismo refieren que en términos generales la presión incremental se puede considerar aproximadamente 60 veces la velocidad del agua. En diámetros pequeños se considera una velocidad máxima de 3 mis y a esta velocidad la presión creada por el transitorio puede sobrepasar los 180 m. Investigaciones realizadas en Países desarrollados han comprobado que estos transitorios son producidos en las instalaciones interiores de los edificios debido al cierre de ciertas válvulas y los Reglamentos o Códigos de diseño exigen el uso de elementos que absorban la sobrepresión de estos transitorios. Por ejemplo en los Estados Unidos de Norteamérica existe un Comité de Transitorios que recomienda las exigencias en los Códigos, los que hasta el 2004 exigían el uso de estos elementos para instalaciones con artefactos de válvula fluxometrica, equipamiento con válvulas de solenoide y otras válvulas de cierre rápido y a partir de Febrero del 2005 se han incorporado las lavadoras, grifos de cocina y llaves de ducha, porque hoy en día existen griferías que operan con cartridge de un cuarto de vuelta que se asemejan a las válvulas de solenoide. Así mismo es útil tener presente que los transitorios pueden producirse en sistemas de bombeo ya sea de agua limpia o de aguas residuales, por alturas dinámicas relativamente altas, por el uso de valvulas de retensión de cierre rápido o por defectos en las instalaciones eléctricas del tablero de control del equipo de bombeo Es importante entonces consideraren estos casos elementos para la reducción de la sobrepresión del transitorio, como válvulas anti golpe de ariete, válvulas de retensión de cierre lento, cámara s de aire, amortiguadores mecánicos y otros. El proyectista deberá estudiar cada caso, determinar la magnitud estimada del transitorio y elegir el dispositivo más adecuado para resolver el problema. Existe bibliografía especializa da tanto para los transitorios como para los dispositivos de amortiguamiento.

AGUA CALIENTE Tanto la higiene corporal, el lavado de utensilios y otras actividades requieren de agua a mayor temperatura que la ambiental por lo que en la mayoría de las edificaciones es necesario considerar un sistema de suministro de agua caliente. Factores importantes para el diseño de los sistemas de suministro de agua caliente son los siguientes: al Temperatura a la cual se util iza en 105 puntos de consumo y que en promedio se considera

USO

M.

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TEMPERATURA

Higiene corporal

45 - 65 oC

Lavado de ropa o utensilios

60 - 70 oC

Para fines medicinales

90 - 100 oC

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Abastecimiento de agua para Edificaciones

';1,')

b) Energía que se utiliza para el calentamiento del agua y que puede ser electricidad, gas, petróleo, vapor y solar. De acuerdo a la energía que se utilice se clasifican los calentadores. Así mismo el tipo de energía influirá en la rapidez de calentamiento, la que ha permitido la fabricación y uso de calentadores del tipo instantáneo y calentadores con almacenamiento. c) La dotación de agua caliente que está establecida en las Normas de diseño vigentes. d) El tamaño de la instalación, que determina la utilización de un sistema directo o un sistema con circulación, utilizando determinado tipo de calentador.

EQUIPOS DE CALENTAMIENTO

Los calentadores de agua pueden ser del tipo instantáneo o con almacenamiento ya sea utilizando energía eléctrica a través de una resistencia o utilizando un combustible (gas, petróleo, vapor, kerosén) a través de un quemador. Los calentadores instantáneos son eficientes para caudales de producción de agua caliente relativamente bajos del orden entre 3 a 16 litros por hora, es decir se utilizan para pequeñas instalaciones o redes de agua caliente. Los calentadores con almacenamiento trabajan eficientemente para cualqu ier caudal de producción, debiendo establecer de acuerdo a las normas vigentes, según el tipo y uso de la edificación, los caudales de producción y volumen de almacenamiento. Es importante mencionar que los calentadores que utilizan energía eléctrica pueden ser instalados en lugares abiertos o cerrados, mientras que los calentadores que utilizan combustible, deben ser instalados en lugares abiertos o en lugares cerrados, considerando una chimenea de ventilación adecuada. Para establecer el caudal de producción de un calentador de agua se utiliza diferentes criterios, teniendo si estrecha relación con el tipo de aparato o artefacto, la dotación que se le asigne a cada uno y la temperatura a la cual debe producirse, siempre que los datos o parámetros estén basados en la experiencia demostrada. Con el caudal de producción se podrá establecer si se utiliza uno o más calentadores y si es necesario volumen de almacenamiento. Es importante así mismo establecer relación con fabricantes y equipadores, quienes pueden proporcionar la información técnica relacionada con la producción y almacenamiento de sus equ ipos a fin de tomar la mejor opción. Generalmente, las instalaciones de agua caliente se pueden considerar como un subsistema del sistema de abastecimiento de agua de la edificación ya que la presión necesaria para su funcionamiento y el caudal requerido son suministrados por la red de distribución general. SISTEMA DIRECTO

Utilizado cuando el sistema de suministro de agua caliente es pequeño, es decir cuando el número de puntos de suministro por calentador es limitado y la distancia entre la fuente de agua caliente y los puntos de salida no permite gran pérdida de calor. Esto sugiere que influyan Editorial Macro

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-

varios factores como la temperatura del agua a la salida del calentador, el material de la tubería, la cubierta de la misma y con que rapidez es necesaria el agua caliente en el punto de suministro. El sistema directo consiste en instalar un equipo de calentamiento de agua o calentador en el lugar apropiado, con la suficiente capacidad de producción o almacenamiento para abastecer a un determinado número de salidas en los aparatos sanitarios en los que se requiere del agua caliente. El suministro de agua fría al calentador, se hará desde la red de distribución general ya partir del mismo se diseñará una red de distribución de agua caliente con capacidad para Conducir la máxima demanda simultánea de agua caliente.

Ejemplo N° S Agua caliente para un departamento de tres dormitorios, con un baño (Inodoro, lavatorio, ducha, lavadero de cocina, lavadero de ropa): Dotación diaria según la Norma vigente: 390 litros Capacidad de almacenamiento del calentador: 390/5 = 78 litros (Se asumirá 80 litros.) Para el cálculo de la tubería de distribución se considerará la máxima demanda simultánea de agua caliente, es decir: Lavatorio Ducha Lavadero cocina Lavadero ropa Total

: : : :

0.75 UH 1.50 UH 2.00 UH 3.00 UH 7.25 UH

Caudal correspondiente: 4.50 GPM. El procedimiento será el mismo que para la red de distribución de agua fría y la fórmula la de Hazen Williams.

SISTEMA CON CIRCULACiÓN

Utilizado cuando una edificación requiere de un suministro de agua caliente muy eficiente con determinadas características como: • Un número importante de servicios sanitarios con requerimiento de agua caliente Distancias considerables entre el equipo de producción de agua caliente y los servicios. • La salida del agua caliente en el aparato sanitario sea muy rápida. El sistema consiste en un equipo de producción de agua caliente, una red de distribución de agua caliente, un sistema de retorno de agua caliente y un equipo o bomba de retorno. El sistema es regulado con temperatura de salida del calentador, temperatura de llegada a las salidas de suministro, temperatura de arranque y parada del retorno.

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INGENIERíA Y GESTiÓN

Abastecimiento de agua para Edificaciones • • •

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1 3/4"1 3.00 ~.

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~ Ce- - - 1/4" - 20.00

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FIG. 20

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-

El procedimiento para el diseño del sistema involucra una serie de pasos: 1. Selección del tipo de calentador a utilizar, teniendo en cuenta factores como costo y disponibilidad del agente de calor o combustible; espacio disponible para su ubicación, operación y mantenimiento; costo operativo y existencia en el mercado. 2. Determinación del tamaño del equipo y volumen de almacenamiento, teniendo en cuenta el tipo de edificación, la dotación de agua caliente y la cantidad de usuarios. Los valores a aplicarse serán consultados en las Normas vigentes. 3. Determinación de las temperaturas tanto de producción como de uso, así como de las necesarias para el funcionamiento del sistema de retorno. 4. Definición del tipo de tubería a utilizar en las redes de distribución de agua caliente, así como del tipo de aislante térmico para su recubrimiento. 5. Calculo de la red de d istribución propiamente dicha, el cual se realiza utilizando el mismo método que para el cálculo de la red de distribución de agua fría, es decir mediante la fórmula de Hazen Williams. 6. Calculo del sistema de circulación o retorno, el cual tiene por objeto circular el agua que se enfría debido a la perdida de calor por conducción, convección y radiación, cuando el sistema de agua caliente se encuentra estático, es decir cuando no hay consumo de agua caliente o este es mínimo.

Para ello es necesario establecer un caudal que debe circular por la tubería de retorno para lo cual se supone el sistema estático. Entendiéndose que la perdida de calor a través de las tuberías de agua caliente son iguales a las que perdería el agua que circula por ellas, se puede establecer la siguiente relación:

Q = K.L.dT /504 (T 1 - T) en la cual :

Q = caudal de circulación en GPM K = Coeficiente de transmisión en BTU/Hora/oF/pie de tubería, que depende del Diámetro de la tubería y del aislamiento térmico que utilice.

donde: To = Temperatura ambiente T1 = Temp. de producción de agua caliente T2 = Temperatura de agua en el tramo considerado y calculado en base a pérdida de Temperatura unitaria, considerando como pérdida total de temperatura la diferencia entre la temperatura de salida del calentador y la temperatura de salida en el aparato más desfavorable.

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El caudal establecido, siendo de circulación continua, será el que deba conducir la tubería principal de circulación o retorno que llega a la fuente de producción por gravedad producida por la diferencia de calor; pero como lo que queremos es utilizar un sistema con circulación forzada intercalamos una bomba, la que trabajará con intervalos de tiempo fijados de antemano, siendo entonces necesario establecer un nuevo caudal como capacidad de la bomba. Estos intervalos o periodos de tiempo son variables dependiendo de los rangos de caudal y del criterio del proyectista, variando entre 5 a 10 minutos de trabajo cada 1 o 2 horas. El caudal que circula por la tubería principal (caudal de trabajo de la bomba), se repa rte proporcionalmente a cada uno de los ramales de agua caliente encontrando así los caudales correspondientes a cada montante o ramal de circulación con los que se calcula los diámetros de las tuberías respectivas, utilizando el mismo procedimiento que para agua fría o caliente, estableciendo las pérdidas de carga de las tuberías de circulación, que servirá para determinar la altura dinámica total de la bomba de retorno. Es así mismo necesario establecer la temperatura de llegada a la bomba de retorno a base de la pérdida de calor entre el punto más alejado y la bomba, a fin de fijar el rango de máxima y mínima temperatura de parada y arranque respectivamente. EjemploN°6

Calcularemos la tubería de circulación de una instalación de agua cal iente con dos alimentadores sirviendo a tres pisos cada uno, con un caudal de 15 GPM en el último piso. Ver figura N° 20 Para ello aplicaremos la fórmula Q = K.L.dt / 504 (T 1 - T). Estableciendo :

To = 70 ° F T1 = 160 ° F

T2 = Variable Longitud total= 57 m. La pérdida de temperatura por Und. de longitud será: 160 - 140 / 57 = 0.35 °F / m. Con ello podemos establecer la temperatura en los puntos: B : 160 - (0.35 x 20) = 153 F : 153 - (0.35 x 25) = 144.25 C : 153 x (0.35 x 10) = 149.5 H = 140

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-

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Con estas temperaturas establecemos el dt para cada diámetro de tubería de agua caliente: dt(1.1/4") = (160+153/2)-70

= 86.50

dt (1 ")

= (153 + 144.25/2) - 70 = 78.62

dt (3/4")

= (149.5 + 140/2) -

70

= 74.25

Luego estableceremos los valores para el cálculo de KLdt

•

L (pies)

K

dt

1.1 /4"

66

0.172

86.50

982

1"

115

0.152

78.62

1,374

3¡4"

39.40

0.132

74.75

386

Tubería

KLdt

Total

I' Nota L,~

3,742

El valor de K se ha establecido por el diámetro de la tubería y el aislante.

~ ~----------------------------------~

Q

= 3,742/504(160-140) = 0.37

GPM.

El valor encontrado es el caudal de circulación continua. El caudal de trabajo de la bomba de circulación si establecemos intervalos de 5 minutos será: Qb = 0.37 x 60/5 = 4.44 GPM. El factor de proporcionalidad para los dos alimentadores será: 4.44/30

= 0.148

El cálculo de los diámetros de la tubería de retorno será: Hf(m)

Ramal

Piso

Long. (m)

Q(GPM)

O"

Fc%

HI

3-1

31

2.2

3/8"

17

5.27

El

3-1

16

2.2

3/8"

17

2.72

IJ

1

20

4.4

V2"

20

4.00

La Bomba de circulación deberá tener la capacidad para Q = 4.4 GPM Y HDT = 11.99 m mas la presión en el calentador.

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SISTEMA DE AGUA PARA RIEGO DE AREAS VERDES GENERALIDADES

El agua que se utiliza para el riego de las áreas verdes que corresponden a ciertas zonas libres de una edificación conformadas por césped o plantas ornamentales puede ser agua potable o agua proveniente de canales de regadío o agua residual tratada. El proyectista deberá realizar un estudio comparativo teniendo en cuenta la facilidad y costo de obtención del agua, así como la calidad de la misma en relación al sistema a utilizarse. El agua potable podrá provenir del servicio público mediante la conexión domiciliaria otorgada a la edificación o de fuente propia con tratamiento privado. El agua residual tratada podrá provenir del agua residual de la misma edificación a la cual se le aplique procesos de tratamiento adecuados para obtener un efluente apto para riego. El factor más importante será en este caso la calidad del agua ya que las áreas verdes están generalmente en contacto directo con las personas sobre todo niños, los que podrían contraer enfermedades transmitidas por el agua. SISTEMAS UTILIZADOS

Los sistemas utilizados para riego de áreas verdes que forma parte de una edificación son : 1. Riego por inundación o gravedad

Utiliza puntos de salida de agua a presión en los que puede acoplarse mangueras para la descarga del agua en las zonas de riego directamente o utilizando aspersores de baja presión. Los puntos de salida generalmente se separan a una distancia aproximada de 1.5 veces la longitud de la manguera. Los diámetros de las salidas y de las mangueras se establecerán hidráulicamente, considerando la presión de salida en los puntos de entrega y la longitud de la manguera, estableciendo así mismo el caudal de entrega, el que se tendrá en cuenta para el cálculo hidráulico de la red de distribución de la edificación si está conectada a ella. La longitud de manguera varía entre lOa 30 m. y está en función al área por cubrir y a la relación caudaldiámetro. Este sistema de riego por inundación tiene una baja eficiencia estimándose en un 30%. No es posible realizar un riego uniforme ni tampoco establecer un caudal regu lar por área ya que dependerá de los hábitos de riego, salvo indicación expresa del proyectista a fin de que el usuario pueda establecer parámetros aproximados.

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2. Riego por aspersión

-

Utiliza los llamados aspersores que son elementos o equipos de salida de agua dotados de un deflector el que pulveriza el agua creando una llovizna que cae sobre el área verde. La cobertura del aspersor es generalmente circular teniendo un determinado alcance en relación a la presión en el punto de conexión del aspersor, determinándose así mismo con estos datos el caudal de entrega. Las ventajas del sistema de riego por aspersión son: uso eficiente del agua en un 80%; mejor distribución del agua; evita la erosión del suelo; menores costos a largo plazo.

•

Para un mejor funcionamiento y eficiencia de un sistema de riego por aspersión debe considerarse los siguientes elementos: • Cisterna de almacenamiento de agua para riego con un volumen útil equivalente al necesario para un riego del área a tratar. El riego podrá realizarse diario, ínter diario o con menor frecuencia dependiendo del tipo de plantas, o por áreas en un mismo día dependiendo del número de aspersores funcionando simultáneamente. • Equipo de bombeo para riego, con capacidad para un caudal establecido en cada caso en función al tipo y numero de aspersores trabajando simultáneamente; y una altura dinámica total establecida mediante el cálculo hidráulico y las condiciones del sistema (véase "equipo d bombeo" en sistemas de abastecimiento de agua.) • Red de distribución dimensionada utilizando cualquier fórmula racional para conducir la máxima demanda y cumplir con las presiones necesarias por los aspersores, en los puntos más desfavorables. • Aspersores, que serán seleccionados utilizando información de fabricantes, teniendo en cuenta el tipo de área a regar, el caudal necesario, la presión de salida, el alcance y el diámetro. Para la ubicación correcta de los aspersores se tendrá en cuenta el alcance considerando un traslape de un 40%. • Dependiendo de la calidad del agua (contenido mayor de 50 ppm. de sólidos suspendidos o 500 ppm de sólidos disueltos), será necesario considerar un proceso de filtración a fin de evitar la obturación de los aspersores. Como información útil la dotación de agua para riego de césped o pasto es de 1 Ips./Ha.

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