propuesta de un sistema de aprovechamiento de...

137 Ingeniería y Sociedad UC. Vol 11, No.2

Investigación. P 137-153. 2016

PROPUESTA DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS PLUVIALES EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA

QUÍMICA

Romero, I.; Moreno, R.; Rodríguez, J.

Escuela de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería. Universidad de Carabobo. Valencia. Estado Carabobo. Venezuela.

e-mail: [email protected]

Resumen: El presente artículo tiene como finalidad el diseño de un sistema para el aprovechamiento de aguas pluviales, integrado por la captación, recolección, conducción, almacenamiento y distribución del recurso hídrico. Se realizó un análisis de la información pluviométrica que permitió conocer el comportamiento de las precipitaciones en la zona. Se utilizaron como criterios para el cálculo del volumen de almacenamiento el consumo de agua en el laboratorio y la cantidad de agua que se puede recolectar por metro cuadrado de superficie del techo considerando el material del mismo. El dimensionamiento de la red de distribución se estableció considerando los caudales de consumo de los equipos del laboratorio, determinando el gasto máximo posible para establecer los parámetros de los equipos como la bomba y el controlador de nivel en el tanque de almacenamiento. Palabras clave: Almacenamiento, aguas pluviales, captación, recolección.

PROPOSED SYSTEM RAINWATER HARVESTING IN CHEMICAL ENGINEERING LABORATORY

Abstract: The present article takes the design of a system as a purpose for the utilization of rain waters, integrated by the capture, collection, conduction, storage and distribution of the water resource. An analysis of the information realized rainfall that allowed knowing the behavior of the rainfalls in the zone. They used as criteria for the calculation of the volume of storage the water consumption in the laboratory and the water quantity that can be gathered by square meter of surface of the ceiling considering the material of the same one. The sizing of the distribution network carried out considering the flows of consumption of the equipment‟s of the laboratory, determining the maximum possible expense to establish the parameters of the equipment‟s as the bomb and the level controller in the tank of storage. Key words: storage, rainwater, catchment, collection.

mailto:[email protected]



INTRODUCCIÓN El agua constituye uno de los recursos más valiosos para la calidad de la vida y el desarrollo de las sociedades modernas. De su buen uso depende en gran medida nuestro futuro. Existe la necesidad de generación y aplicación del conocimiento sobre la captación de agua de abastecimiento de agua. La captación de aguas pluviales es un medio simple de obtener agua, surgida de la iniciativa de aumentar la cantidad de agua de lluvia almacenada en estructuras construidas, de tal manera que pueda ser utilizada posteriormente. En muchos lugares del mundo con alta o mediana precipitación y en donde no dispone de agua en cantidad y calidad necesaria, se recurre al agua de lluvia como fuente de abastecimiento. El aprovechamiento del agua de lluvia, consiste en la captura, conducción y almacenamiento de la misma, para ser utilizada en propósitos tales como, el riego, consumo animal, consumo humano, recarga de acuíferos, entre otros. METODOLOGÍA Seleccionar la tecnología y el diseño de sistemas de captación de aguas pluviales Se clasificaron las tecnologías en grandes modalidades de captación de agua de lluvia, estas se pueden catalogar con base en sus diferentes fuentes, tipo de escorrentía, técnicas de manipulación, tipo de almacenamiento y a los diferentes usos que se le da al recurso. En función de la aplicabilidad en el Laboratorio de Ingeniería Química se desarrolla la recolección de agua de lluvia proveniente de los techos. Además de examinar la finalidad de uso para estos sistemas, la calidad del agua captada en estas superficies, los componentes del

sistema y el funcionamiento de estos para el aprovechamiento de aguas pluviales y los tópicos y terminología vinculados con el tema. Mediante la aplicación de una matriz de selección, se procedió a establecer el método a aplicar, que se ajustara mejor al Laboratorio de Ingeniería Química según la metodología más competente, que se desarrolla basándose en aspectos económicos y técnicos para observar cada una de las ventajas y desventajas de las diferentes técnicas y componentes de los sistemas existentes. El análisis de las características de los componentes determinados se realizó para conocer a plenitud todos aquellos equipos e instalaciones que garantizan la recolección de agua de lluvia del techo en las construcciones para conducirlas, filtrarlas, almacenarlas y posteriormente ser utilizada en diversas aplicaciones. Estimar las características más importantes de las precipitaciones Se realizó un análisis estadístico a través de los datos de precipitación durante los últimos años en la zona de estudio, proporcionada por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMEH), con la finalidad de obtener un comportamiento de la pluviosidad y una estimación de la cantidad de agua disponible en el sector, también se efectuó una caracterización fisicoquímica y microbiológica del agua de lluvia. A partir de la relación entre los datos de precipitación mensual y el número de años estimado se determina mediante la ecuación (1) el promedio o media aritmética:



Dónde: : Precipitación promedio mensual del mes “i” de

todos los años evaluados, mm : Valor de la precipitación mensual del mes “i”, mm : Número de datos, adim

(UNATSABAR/OPS/CEPIS, 2001) Una vez determinados los valores de promedio de lluvia se realizó el gráfico de datos de precipitación promedio, identificando las variables como Precipitación (mm) en función del tiempo, permitiendo establecer el valor máximo y mínimo mensual de volumen de agua para el periodo de años estudiados. Para la caracterización microbiológica y fisicoquímica del agua pluvial, fue necesario llevar a cabo la recolección de las muestras basándose en las técnicas implementadas por la norma COVENIN 2709:2002. Se tomaron cuatro muestras en un periodo de aproximadamente tres semanas. En base a la Normativa Ambiental Venezolana (Decreto 883), la cual establece que para aguas no potables (uso industrial y doméstico), se recomienda estudiar la carga de contaminantes y métodos de tratamientos, por lo que en el presente estudio se establecieron los siguientes parámetros: Parámetros físicos: sólidos sedimentables

y suspendidos. Parámetros fisicoquímicos: pH, dureza

total y alcalinidad. Parámetros microbiológicos: coliformes

fecales y totales. El análisis consistió en comparar la calidad del agua de lluvia captada en el techo del Laboratorio de Ingeniería Química, con respecto a los límites máximos permisibles en el decreto 883, como referencia. Con los resultados se pudo fijar el sistema de

tratamiento de agua requerido para su potencial aprovechamiento. Dimensionar el sistema de recolección y almacenamiento de aguas pluviales En el desarrollo de esta etapa, se evaluaron los diferentes parámetros necesarios para el dimensionamiento de los principales componentes del sistema de conducción y tanque de almacenamiento. Así como también, se permitió conocer los criterios de diseño más sobresalientes, las características de los materiales de construcción, potencial de ahorro y muy importante el uso que se le va a dar al agua de lluvia captada por el sistema. Se registraron las dimensiones de la superficie de captación, así como también fue necesario establecer las medidas de la longitud del sistema de conducción de los escurrimientos pluviales y el área disponible en el sitio de trabajo para la ubicación del tanque. Se calculó el área efectiva de captación por medio del siguiente modelo matemático (2):

Dónde:

Área de captación, Largo, Ancho,

(Navarro, 2005)

Una vez determinada el área de captación y la información previamente establecida en el análisis estadístico de las precipitaciones, acerca de los promedios mensuales de precipitación de todos los años evaluados, el material del techo y el coeficiente de escorrentía, se procedió a determinar la capacidad de abastecimiento de agua, es decir la cantidad de metros cúbicos de agua pluvial que potencialmente se pueden captar



sin considerar las pérdidas, a través de la ecuación (3).

Dónde:

: Potencial de captación, : Precipitación promedio, mm : Coeficiente de escorrentía, adim

(Gould y Nissen-Petersen, 1999) La demanda de agua en Laboratorio se determinó, a partir de un medidor de gasto instalado en la tubería principal de entrada del agua proveniente de Hidrocentro y considerando los días por mes de actividad en el laboratorio, con lo cual se estimó el consumo del recurso hídrico en los sanitarios por el uso de lavamanos, inodoros y equipos. Conocida el área disponible para su instalación, la demanda y el máximo volumen de agua pluvial acumulada durante todo el año, se estableció el tamaño del tanque de almacenamiento, y de acuerdo a las características del sitio en estudio fue necesario determinar el tipo de sistema de almacenamiento tomando en cuenta, los materiales para su construcción costos y mantenimiento. El volumen de almacenamiento, se halla restando la oferta acumulada con la demanda acumulada durante la temporada, como se muestra en la ecuación (4):

Dónde:

Volumen de almacenamiento, Demanda acumulada, Oferta acumulada,

(UNATSABAR/OPS/CEPIS, 2001) Para el sistema de conducción fue necesario estudiar el conjunto de canaletas y tuberías,

se estableció el diámetro de las tuberías; así como también se identificó el tipo canaletas y material de construcción. Dimensionar el sistema de filtración como tratamiento del agua de lluvia captada Se determinaron los parámetros necesarios para el diseño de los filtros y las especificaciones del medio filtrante como sistemas utilizados para el mejoramiento de la calidad del agua recolectada. El dimensionamiento del sistema, está conformado por dos filtros uno para partículas grandes y visibles y otro para retener sólidos sedimentables. Se evaluó la carga o fuerza que permite atravesar el medio filtrante, seleccionando aquella de acuerdo al lugar y al tipo de aplicación que se desea estudiar. Se establecieron los posibles medios filtrantes para retirar elementos de gran tamaño que puede arrastrar la lluvia y para retener partículas en el agua. Se determinaron los parámetros de diseño para la construcción del sistema de filtración; ahora bien, para llevar a cabo el dimensionamiento del filtro de partículas gruesas, se debe tomar en cuenta las dimensiones de las canaletas y se debe contar con la suficiente capacidad para almacenar el volumen de agua pluvial temporal mientras llueve, con el fin de evitar desbordamientos. Para el caso de diseño del filtro para partículas más finas, se calculó el área superficial de la malla ya conocida la velocidad recomendada de filtración, el caudal máximo y el caudal de entrada al filtro; por medio de la siguiente ecuación:

Dónde:

: Superficie del filtro de malla, m2 : Caudal a la entrada del filtro, m3/h

: Caudal máximo en los filtros de malla, m3/h



(Gaete, 2001) Realizar el dimensionamiento de un sistema hidráulico para la distribución del agua almacenada Se estableció la distribución de acuerdo a la ubicación del tanque de almacenamiento, situando los puntos de destino y cualquier elevación, mediante la visualización de las zonas a proporcionar el recurso hídrico, de acuerdo con el caudal requerido por los aparatos sanitarios y los equipos de las prácticas en el Laboratorio. Se generó la distribución propuesta de la tubería, que incluye la ubicación de la bomba y los detalles de la línea de succión y descarga con válvulas, acoplamientos, accesorios, longitudes y tamaños de las tuberías de succión y descarga. Para realizar el dimensionamiento del sistema hidráulico, se obtuvo el valor de diseño de flujo volumétrico que se demanda, las presiones en la fuente y en el punto de destino, para esta última se aplicaron volúmenes de control desde el punto destino del sistema diseñado hasta los equipos del laboratorio. Las propiedades del fluido como densidad, viscosidad absoluta y presión de vapor, se determinaron mediante la captación de una muestra de agua pluvial. Para determinar la carga dinámica total sobre la bomba, se aplicó la ecuación general de la energía como extensión de la ecuación de Bernoulli:

Dónde:

: Presión del fluido, kgf/m2

Z: altura del fluido respecto al punto de referencia, m : Velocidad del fluido, m/s

1: Entrada del volumen de control 2: Salida del volumen de control : Peso específico del fluido, kgf/m3 : Constante de aceleración de gravedad, m/s2

: Carga total sobre la bomba, m : Pérdidas de energía mayores y menores, m : Pérdidas de energía en la válvula automática, m

(Mott, 2006) Las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido en las tuberías y accesorios se expresa como la ecuación (7):

Dónde:

: Velocidad del fluido de trabajo, m/s : Coeficiente de resistencia de los accesorios, adim : Factor de fricción de Darcy, adim

: Longitud equivalente de los accesorios, adim : Longitud de tubería, m

: Diámetro de tubería, m (Welty et al., 1994) Se seleccionó una bomba que entrega el flujo volumétrico de diseño contra la carga dinámica total a dicho flujo volumétrico. Posteriormente, se determinaron algunos puntos de la curva del sistema con el análisis de la carga total correspondiente a un rango de flujos volumétricos, esto se efectuó con la ecuación (6). Con estos datos se graficó la curva del sistema sobre la gráfica de rendimiento de la bomba y se determinó el punto real de operación esperado. Se determinó el NPSH que se requiere y se calculó el NPSH disponible (NPSHA) del sistema, por medio del modelo matemático (8).

Dónde:

: Cabezal neto de succión positiva, m : Presión estática (absoluta) sobre el fluido en el

depósito, kgf/m2 depósito, kg: Presión de vapor (absoluta) del líquido a la

temperatura que se bombea, kgf/m2



: Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito a la línea central de la entrada de succión de la bomba, m

: Pérdida de carga en la tubería de succión, debido a la fricción y pérdidas menores, m (Mott, 2006) Se determinó la potencia que se suministra a la bomba se determina mediante la ecuación (9):

(9)

Dónde:

: Potencia de entrada a la bomba, hp : Flujo volumétrico del fluido, m3/s : Eficiencia mecánica de la bomba, adim

(Mott, 2006) Establecer un sistema de control de nivel en el tanque de almacenamiento de aguas pluviales En el desarrollo de esta fase se efectuó la selección de las estrategias, acciones del control y los componentes del sistema, partiendo de las alternativas halladas en la bibliografía, integrado con el análisis de datos del proceso en estudio. Posteriormente se realizó el diagrama de bloques de la función transferencia del proceso. En cuanto a la modelación del sistema de control del proceso, se estableció un volumen de control en el tanque de almacenamiento, indicando la variable a controlar (altura del líquido en el tanque), las variables de entrada y de salida, y las variables que influyen en la variación del nivel de agua. Para la obtención de la ecuación que describe el comportamiento del sistema se planteó un balance de masa de estado dinámico alrededor del tanque, se establecieron las ecuaciones auxiliares, el caudal de salida del tanque está relacionado con los cambios de apertura de la válvula automática, el flujo de líquido a través de la válvula viene dado por (10):

(10)

Dónde: : Flujo de salida, gpm

: Coeficiente de flujo de la válvula automática, Adim : Posición de la válvula, Adim : caída de presión a través de la válvula, psi

: Gravedad especifica del líquido, Adim (Smith y Corripio, 2008) Posteriormente se realizó la linealización de la ecuación planteada y por ultimo utilizando la transformada de Laplace se obtuvo la función transferencia del proceso. La selección de los componentes del sistema de control, en primera instancia se evaluó para el sensor variables como precisión, calibración, sensibilidad requerida y costos. La selección del tipo de controlador se basó en la naturaleza del proceso y las condiciones operacionales, incluyendo seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad y precisión. El transmisor a utilizar se precisó una vez seleccionado el controlador y el instrumento de medición. Se determinó la función transferencia del transductor y el transmisor mediante la relación del rango de la entrada respecto al rango de la salida, para una ganancia constante. Debido al tipo de proceso que se requiere controlar, se justifica el uso de una válvula de control. Para el diseño y selección se tomaron en cuenta tres aspectos importantes el funcionamiento, las dimensiones y las características del flujo a través de la válvula de control, para luego estandarizarla. Luego se determinó la ganancia y la función transferencia de la válvula de control. Con los equipos ya dimensionados, y realizada la distribución de las partes que conforman el sistema, se elaboró el diagrama de tubería e instrumentación empleando el software AutoCAD.



Estimar la relación beneficio/costo sobre la implementación del sistema de captación de aguas pluviales Se determinaron los beneficios que se logran al instalar un sistema de aprovechamiento de aguas pluviales en el Laboratorio de Ingeniería Química. Esto se determinó a partir de la relación económica del ahorro de agua potable equivalente a la cantidad recolectada por precipitación y el estimado de la inversión inicial para la construcción y costo de operación del sistema propuesto. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Los sistemas de captación se clasifican de acuerdo a diferentes criterios, según las superficies de captación, tipo de almacenamiento y a los diversos usos que se le da al recurso, (FAO, 2013). En primer orden, se selecciona la captación de agua de lluvia proveniente de los techos, debido a que posee características de calidad mejores que la del agua captada en otras estructuras, (FAO, 2013). Con relación al tipo de almacenamiento a utilizar, resulta el costo de construcción con el mantenimiento del mismo, como las características que resaltan en la escogencia de este tipo de tanque para la implementación de esta tecnología. Ahora bien, los costos elevados que proporcionan los tanques subterráneos incluyen trabajos de excavación, para tanques elevados incrementan los gastos debido a la construcción de una torre o base, tuberías y accesorios adicionales, (CNA, 2007); y es por ello que el costo asociado a la fabricación del tanque sobre el suelo, es menor por lo que constituye una característica ventajosa para su elección. En cuanto al mantenimiento o revisión interior del tanque superficial, este suministra con relación a los otros tipos de

almacenamiento mejores características para retirar todas las impurezas y depósitos que sobre él se encuentren, (Guzmán, 2014). Con los datos obtenidos del INAMEH de la precipitación media mensual para la estación Bárbula desde el año 1992 hasta el 2007y mediante un análisis estadístico se obtiene la precipitación promedio mensual, expresada en milímetros, equivalente a litros por metro cuadrado, como en la figura 1. Los registros de lluvia presentan variaciones debido a que el régimen de lluvia se ve afectado por el cambio climático. La figura 1 describe el comportamiento de las lluvias. De acuerdo a la altura de precipitación con lluvia débil (<14 mm), moderada (>=14 mm y <105 mm) y fuerte (>105 mm).

Figura 1. Promedios de precipitaciones pluviales mensuales de la estación Bárbula desde el año

1992 hasta el 2007 Los parámetros físicos son indicadores de contaminación visible, los fisicoquímicos del grado de contaminantes disueltos y el grado de corrosión o alcalinidad y los microbiológicos se toman por las consecuencias a la salud. Los resultados se muestran en las tablas N°1, N°2 y N°3.



Tabla Nº1. Concentración de sólidos en agua pluvial captada por la superficie del techo y los límites recomendables de la

norma

Parámetro Agua pluvial

Decreto 883

Sólidos sedimentables SS (mL/L)

0,2 Ausente

Sólidos suspendidos SST (mg/L)

10,0 80

Se observa que el agua recogida por escurrimiento del techo requiere de un dispositivo que retire dichos sólidos para evitar que se depositen en las unidades del sistema. Tabla Nº2. Concentración de parámetros fisicoquímicos en agua pluvial captada por la superficie del techo y los límites

recomendables de la norma

Parámetro Agua pluvial

Decreto 883

Dureza total (DT ±10)mgCaCO3/L

30 500

AlcalinidadmgCaCO3/L 5,5 - pH 6,17 6 - 8,5

El resultado obtenido de dureza total confirma que las aguas pluviales usualmente son bajas en términos de dureza y baja alcalinidad, así como también pH ligeramente ácido.

Tabla Nº3. Concentración de microorganismos en agua pluvial captada

por la superficie del techo y los límites recomendables de la norma

Microorganismo Agua pluvial

UFC/100mL Decreto 883 NMP/100mL

Coliformes totales 30 2000 Coliformes fecales < 1 Ausencia Los coliformes indican presencia de contaminación. El agua de lluvia captada requiere un tratamiento que elimine los

microorganismos para uso potable. Como en el caso de estudio el agua de lluvia se requiere para usos no potables se puede evitar el tratamiento microbiológico. Una vez analizadas las características físicas y climáticas de la comunidad, se determina a partir de la ecuación (2) el área efectiva de captación y con ello otras variables que se muestran en la tabla N°4.

Tabla Nº4. Características físicas de la

superficie de captación en el Laboratorio de Ingeniería Química

Material de

la superficie

Coeficiente de escorrentía( )

Adim

Área de captación

(m ± 0,06)m Acerolí 0,80 459,35

El valor de coeficiente de escorrentía mostrado en la tabla N°4 es un promedio del intervalo indicado por la revista (UN-HABITAT, 2005), con base al tipo de superficie en estudio, considerando el material de la superficie dentro del grupo de láminas de metal corrugado. De acuerdo a las pérdidas debidas a evaporación, infiltración, entre otros, se estima un 20% el cual es un buen criterio de diseño para este tipo de sistemas según Adler et. al., 2008. Ahora bien, partiendo de los datos suministrados en el análisis estadístico de las precipitaciones sobre los promedios mensuales, es posible determinar a partir de la ecuación (3) el potencial de captación mensual, considerando las pérdidas; así como también a través de la estimación del consumo de agua en el laboratorio, se determina la demanda, la oferta acumulada y el volumen de almacenamiento, el cual se representa gráficamente por medio del análisis estadístico en la figura 2, observándose que para todos los meses del año la oferta es mayor a la demanda, lo que indica que se puede abastecer con



normalidad el consumo de agua en el laboratorio, constituyendo un ahorro del agua.

Figura 2. Volúmenes de almacenamiento de agua de lluvia por mes

De la figura 2, se considera el máximo volumen de almacenamiento acumulado durante todo el año, el cual resulta 380 m3

correspondiente al mes de octubre y a partir de ahí, se establece el tamaño del tanque. Este valor se reparte entre 52 semanas que dispone un año; generando un volumen estimado de almacenamiento igual a (7,31±0,08) m3. Por otra parte, el depósito de almacenamiento debe estar construido de materiales resistentes, flexibles, durables y debe estar dotado de todos los dispositivos necesarios para su correcta operación, mantenimiento y limpieza; por lo tanto se selecciona como material de construcción el PVC, esto se debe a que los tanques elaborados de este material ofrecen ventajas comparativas frente a los de metales como el acero galvanizado y los de concreto armado, estas características pueden ser: es tres o cuatro veces más económica que una cisterna de concreto armado o metal, las reparaciones y limpiezas se realizan

fácilmente y en corto tiempo, no se corroe ni se oxida, conserva la calidad del agua y se implementan sistemas que impiden la reproducción de bacterias. La geometría del tanque, se selecciona de forma cilíndrica vertical, puesto que a diferencia de los tanques rectangulares este proporciona un mayor aprovechamiento del espacio y menor costo de fabricación referente a los tanques de forma esférica y rectangular (Osorio, 2008). La fábrica de tanques de PVC (TINAPLAS, 2015), establece que para un tanque con una capacidad de 8,0 m3, las dimensiones correspondientes a la altura y diámetro son 2,15 m y 2,35 m respectivamente. En cuanto a las canaletas y tuberías, se diseñan de PVC, el cual no resulta dañado debido a la poca dureza que presenta el agua pluvial, es resistente a la corrosión y al agua, durable, liviano, fácil de unir entre sí y además es recomendable para uso de aguas no potables. Con relación al dimensionamiento de las canaletas, está asociado con la superficie de captación, el largo de las mismas será igual al largo del techo, la pendiente de inclinación es entre 0,7 a 1 cm por cada metro lineal, según lo establecido por (Vázquez, 2014), considerando el valor máximo de pendiente. En el manual de diseño de recolección de agua de lluvias UNATSABAR/OPS/CEPIS (2001), se indica que el ancho mínimo es de 7,5 cm y el máximo de 15 cm y la velocidad de área de las canaletas no debe ser mayor a 1 m/s. A continuación en la tabla N°5 se indican todas las variables de diseño de canaletas y tuberías.



Tabla Nº5. Parámetros de diseño de las canaletas y tuberías

Material de las canaletas y tuberías PVC

Caudal máximo de diseño 0,0004559

Largo de la canaleta ( l ± 0,004) m 26,43 Ancho de la canaleta (m) 0,15

Angulo de inclinación de las canaletas (º) 0,57 Número de canaletas 2

Longitud de tubería horizontal ( ± 0,04) m 15,40 Longitud de tubería vertical ( ± 0,08) m 6,90

Diámetro de la tubería (pulg) 4” Número de codos (90º 4”) 2

Conexión en forma “T” 1 Reducción ( 4” a 2”) 1

La selección de las dimensiones de las tuberías se lleva a cabo en base a lo que establece (García, 2012) en su investigación, el cual relaciona el área de captación con el diámetro de la tubería; para el sistema de dos agua a implementar, se selecciona un diámetro de 4” para las tuberías horizontales y verticales, el cual resulta conveniente puesto que permite mantenerse en el rango de las velocidades permisibles para este tipo de tubería. El agua de lluvia que se destina a usos dentro de la edificación no implica

contacto con el usuario, debe ser tratada para garantizar el funcionamiento de los sistemas hidráulicos instalados en la edificación. El sistema de filtración que se propone consta de dos etapas; la primera es una rejilla que se coloca en la canaleta, este retiene las partículas grandes como son las hojas y ramas; las dimensiones se presentan en la tabla N°6.

Tabla Nº6. Dimensiones de la malla para canaleta

Largo de la malla (m) Ancho de la malla (mm) Separación (cm) 26,43 150 2,5

El segundo filtro se encuentra a la entrada del tanque de almacenamiento, este filtro debe soportar un caudal máximo de 646 m3/h, este tratamiento hace pasar el agua de lluvia por un filtro de malla de 250 µm que elimina partículas como sólidos, necesario para hacer una mínima eliminación de la suciedad y evitar que entre en el depósito. El tamaño de los orificios se determina en función de la clase de sólidos que se desea retener, para el caso en estudio se considera

eliminar sólidos clasificados como arena de grano medio. La superficie de la malla se calcula en función del caudal de captación, incrementado en un 20% en concepto de seguridad, y en función de los valores aceptables de la velocidad real (velocidad a través de los orificios). Las dimensiones obtenidas de la malla se muestran en la tabla N°7.



Tabla Nº7. Dimensiones de la malla para el filtro

Numero de malla 60 Numero de mesh 60

Abertura de la criba (µm) 225 Diámetro del alambre (µm) 180

Superficie de la malla (S ±0,0000004)m2 0,0044159 Las dimensiones del filtro se muestran en la tabla N°8. Tabla Nº8. Dimensiones del filtro de malla

Conexión (pulg) 2 Caudal máximo

(m3/h) 11

Superficie filtración (cm2)

1333

L (mm) 590 A (mm) 275 H (mm) 320 D (mm) 440

Respecto a la distribución del agua recolectada, la línea de succión mide 6,63 m, distancia desde el depósito fuente hasta la ubicación de la bomba, en dicha tubería se coloca una válvula de compuerta, pues ofrece muy poca resistencia al flujo si está abierta por completo. La línea de descarga mide 42,75 m, con una elevación de 1,36 m sobre la entrada de la bomba, los elementos que constituyen son: una válvula de

compuerta cerca de la bomba para permitir que se dé servicio a esta, una válvula de retención, que impide que el flujo regrese a la bomba, debe colocarse entre la válvula de apagado y la bomba, codos del tipo estándar, y acoplamiento a la salida de la bomba. Para este caso de estudio, se recomienda utilizar tubos de PVC para la conducción del agua, principalmente por la ventaja económica sobre los otros materiales. La tubería de la línea de succión es una tubería de PVC de 2 1/2 pulgadas y la línea de descarga es una tubería de PVC de 1 1/4 pulgadas. El valor de diseño de flujo volumétrico se estima por el método de certeza total, (Palacio, N. 2010), en el cual se puede tener la certeza de que durante un periodo determinado, equipos y aparatos sanitarios estarán en funcionamiento. Los resultados se muestran en la tabla N°9, las propiedades se determinan a (25,0 ± 0,5) ºC y se presentan en la tabla N°1.

Tabla Nº9. Caudales instantáneos y gasto máximo posible

Equipo/aparato Número de

Tanques (N)

Caudal instantáneo

(Qi ± 0,00001) m3/s

Gasto máximo posible

(GMP ± 0,00001) m3/s

Pérdidas 1 0,00108 0,00108 Bombas centrifugas 1 0,00059 0,00059

Torre de relleno 1 0,00023 0,00023 Inodoros baños damas 2 0,00015 0,00030

Inodoros/urinarios baños caballeros 3 0,00015 0,00045 Gasto máximo posible total (GMP total ± 0,00002) m3/s 0,00265



Tabla Nº10. Propiedades de la muestra de agua pluvial

Densidad del fluido (ρ ± 70) kg/m3 1040 Peso específico del fluido (γ ± 70) kgf/m3 1040 Viscosidad absoluta (µ ± 0,0001) 0,0010

Presión de vapor (Pv ± 0,4) mmHg 19,6 La presión en la fuente (superficie del agua en el tanque) es de 0 psig y la presión en el punto de salida del sistema es . La determinación del número de Reynolds establece que el régimen es turbulento. Para determinar las pérdidas de energía en la válvula automática, inicialmente se determina la presión a la salida de la bomba, estableciendo un volumen de control en la

línea de descarga de la bomba; obteniéndose una presión

. La capacidad de control de una válvula automática depende de la caída de presión generada por unas grandes pérdidas de energía. Con lo cual se estiman las pérdidas en la misma. Para el caudal de diseño se determina la carga total sobre la bomba, los resultados se muestras en la tabla N°11.

Tabla Nº11. Resultados del cabezal requerido por el sistema para la distribución del

agua pluvial

Caudal Q (gal/min) 41,98 Caudal Q (m³/s) 0,002648

Cabezal de pérdidas mayores y menores (hLtol ± 4) m 14 Cabezal de pérdidas en la válvula automática (hva±2) m 6

Cabezal requerido (Ha ± 9) m 36

La elección de la bomba se basa en unas condiciones de funcionamiento determinadas, especificadas. Las condiciones de funcionamiento incluyen el caudal, presión de aspiración e impulsión o altura total. La bomba escogida es una bomba de 3500 rpm, NPSH requerido de 2 m, diámetro de aspiración e impulsión de 11/4 pulgadas y eficiencia: 55%.

Se grafica la curva del sistema, sobre la gráfica de rendimiento de la bomba, y se determina el punto de operación real esperado, en la intersección de la carga de la bomba versus la curva del flujo y la curva del sistema, los resultados se muestran en la tabla N°12. La grafica se obtenida se presenta en la figura 3.

Tabla Nº12. Punto real de operación del sistema de bombeo

Caudal de operación (Qop ± 0,1) gpm

Carga dinámica total de operación (Ha ± 9) m

42,3 36



Figura 3. Curva característica del sistema Los resultados de potencia requerida y NPSH disponible se muestran en la tabla 13

así como el resumen del diseño del sistema de bombeo.

Tabla Nº13. Dimensionamiento del sistema de bombeo

Descripción Valor Tipo de bomba Centrifuga

Caudal de operación 42,3gpm Diámetro de la succión 2 1/2pulg

Diámetro de la descarga 1 1/4pulg Material de la tubería PVC

velocidad de la succión 0,857 m/s velocidad de la descarga 2,745 m/s

Carga total 36 m Eficiencia teórica de la bomba 55 %

Potencia requerida por la bomba 2,4 hp Cabezal de succión neta positiva requerida 2 m Cabezal de succión neta positiva disponible 11 m

En cuanto a la selección del sistema de control, diferentes autores como (Benítez, 1994), (Altamira & Ramírez, 2014), (Chenche & Urdiales, 2005) y (Ballén et. al., sf), indican que para cualquier tipo de proceso industrial la medición y el control de las variables de nivel y flujo se hace necesario cuando se desea evitar que un líquido se derrame dentro de un recipiente. La optimización del proceso del manejo del fluido recolectado se lleva a cabo, mediante

la realización de la modelación del sistema dinámico, el cual está constituido por el llenado de un tanque de almacenamiento por medio de la recolección de aguas pluviales que escurren en un techo de captación y una salida del fluido destinado a zonas de aprovechamiento. Ahora bien, la descripción del comportamiento del sistema se realiza con la finalidad de obtener la función de transferencia del proceso, a través de las



leyes físicas que lo rigen y la relación de las variables manipulada y controlada. Obteniendo como función de transferencia (11):

La estrategia y componentes de control a utilizar, cuenta con una válvula automática en la parte inferior del tanque, que es la perturbación del sistema para alterar el nivel de agua del tanque, respecto al nivel deseado. En la parte superior del tanque se encuentra se encuentra un sensor de nivel conformado por un flotador que se seleccionó debido a sus características favorables en cuanto a economía, facilidad de instalación y eficiencia; el mismo permite bloquear la tubería de entrada cuando el nivel del fluido alcanza su punto máximo. En el fondo del tanque se localiza un conjunto de sensor/transmisor electrónico, el cual se selecciona debido a su acondicionamiento de señal fácil de calibrar, permitiendo

transformar la variable de altura en una señal eléctrica y mediante un traductor que recibe esta señal normalizada la convierte en una señal neumática que habilita por medio de un controlador cerrar la válvula a la salida del tanque cuando el nivel del fluido se encuentra en su punto mínimo. Por otra parte, el sistema obtenido, se aproxima a uno de primer orden sin tiempo muerto (SOSTM). Ante una posición cerrada en falla (CF) de la válvula automática, el controlador de tipo proporcional integral (PI) se define de acción directa, debido a que en este proceso, ante una disminución en la señal de entrada en el controlador, el elemento final de control que para este caso es la válvula deberá cerrarse de forma automática cuando se alcance el nivel mínimo, análogo a lo que establece (Benítez, 1994) en su investigación. En la figura 4, se tienen los elementos de control de nivel involucrados en el sistema.

LT

LC

Sensor

Controlador

Transmisor

Elemento final de control

Figura 4. Elementos del sistema de control de nivel en el tanque de almacenamiento

Finalmente, para la determinación de la inversión inicial del proyecto, se obtuvieron los datos de costo de cada uno de los elementos que componen el sistema, a través de la búsqueda y recopilación de

presupuesto de los materiales y equipos en la web, así como también en diferentes establecimientos comerciales y a su vez conocer los costos de instalación de equipos, el cual resulta entre un 35% a 45% del costo



de compra; según estimado por (Márquez, 2003) en su documentación; estos resultados se muestran en la tabla N°14. Tabla Nº14. Costos de la inversión inicial

Concepto Total (Bs)

Equipos y accesorios 596149,35 Instalación 208652,15

En base a los cálculos de los beneficios que se obtienen de la instalación del sistema, este comprende el ahorro monetario proveniente del volumen recolectado de agua, con una tarifa de 1,425 Bs/m3 y el factor igual a 2, estipulado por la C.A. Hidrológica del Centro HIDROCENTRO, obteniendo un valor aportado de 1077,4 Bs/año. La relación beneficio-costo se realizó para una proyección de 25 años, obteniendo un valor para el indicador económico de 0,76139. Resultando en una inversión generada mayor a los beneficios cuantitativos que se obtienen debido que el valor es menor a 1; sin embargo, cualitativamente el uso eficiente del agua considera la reducción o prevención de pérdida de la misma en beneficio para la sociedad. Esta forma de conservación puede tener un sentido social y económico, además de contribuir con el mejoramiento de la calidad y mantenimiento de este recurso, también es parte integral de del manejo de los recursos ambientales. CONCLUSIONES Se demostró que en el área de Bárbula se tiene un alto potencial de uso de aguas de lluvias, con precipitaciones anuales mayores a 500 mm. El agua de lluvia captada en el techo del Laboratorio de Ingeniería Química, cumplió con el decreto 883 en los parámetros: sólidos sedimentables, sólidos suspendidos, dureza total, pH, coliformes

totales y fecales. La alcalinidad no se establece en la norma por lo que se comparó con la NOM-127-SSA1-1994, la que cumplió. Para todos los meses del año la oferta es mayor a la demanda, lo que indica que se puede abastecer con normalidad el consumo de agua en el laboratorio, lo cual representa 7,31 m3 por semana, constituyendo un ahorro del agua. Los filtros dimensionados sirven para eliminar partículas de mayor tamaño, como arena de grano medio, y evitar suciedad en el depósito. Para la conducción del agua se seleccionaron tubos de PVC, principalmente por la ventaja económica sobre los otros materiales. La bomba para la distribución del agua almacena es centrifuga de 2,4 hp con una carga de 36 m para un caudal de operación de 42,3 gpm y un cabezal de succión neta disponible de 11 m, mayor a la requerida de 2 m. El control de un sistema de primer orden, entrega resultados satisfactorios, es rápido, tiene un error admisible y responde muy bien a perturbaciones. La inversión inicial es muy alta, por lo que no se logra un sistema de bajo costo, lo que vuelve inestable si no se cuenta con la adecuada financiación. REFERENCIAS

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http://190.9.128.45/hc/institucionales/contactos/

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Fecha de recepción: 01 de junio del 2016 Fecha de aceptación: 15 de junio del 2016

propuesta de un sistema de aprovechamiento de...

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