Sistema aislado

Para este artículo, consideremos un sistema aislado en el que el agua procede de un río situado a 60,9 m de la cabaña y se bombea a un depósito de almacenamiento situado a 4,6 m por encima de la cabaña. La cabaña está a 6 metros sobre el nivel del río. Este depósito utiliza la gravedad para distribuir el agua a diversos aparatos, como grifos e inodoros, a través de una red de tuberías. Las válvulas se colocan estratégicamente para regular el caudal de agua. En las secciones siguientes se explica detalladamente cada uno de estos componentes.

Fuente de agua

Se necesita una fuente de agua: un pozo, un manantial, un arroyo o agua de lluvia recogida en una cisterna. Normalmente, las fuentes de agua están más bajas en elevación que las cabañas, por lo que es necesaria una bomba para que el agua fluya desde la fuente hasta el depósito. Como alternativa, se puede transportar agua desde una fuente cercana para llenar el tanque de almacenamiento manualmente. Si el agua se va a utilizar para beber, es importante utilizar tuberías, mangueras y válvulas fabricadas con materiales seguros para el agua potable con las certificaciones necesarias. Algunos materiales comunes que son seguros para el agua potable incluyen:

• Acero inoxidable
• Cobre
• PVC
• PEX

También es importante limpiar el sistema de agua con regularidad para evitar la proliferación de bacterias. Algunos métodos de limpieza habituales son:

• Lavar el sistema con agua limpia
• Utilizar una solución de lejía
• Utilizar un limpiador de sistemas de agua comercial

Si el agua sólo se va a utilizar para tirar de la cadena y lavarse las manos, no es necesario utilizar materiales específicamente seguros para el agua potable. Sin embargo, sigue siendo importante utilizar materiales duraderos y resistentes a la corrosión y las fugas. Algunos materiales comunes que son adecuados para el agua no potable incluyen:

• PVC
• ABS
• Acero galvanizado

Bomba

Una bomba transporta el agua desde la fuente hasta el depósito de almacenamiento. Es la única parte del sistema que requiere energía. Dependiendo de la disponibilidad y la eficiencia, se puede utilizar una bomba manual, una bomba solar, una bomba de molino de viento o una bomba accionada por motor. Es importante utilizar un colador en la manguera de aspiración de una bomba de agua para evitar que entren residuos en la bomba. Esto puede dañar la bomba y reducir su vida útil.

Dimensionamiento y selección de bombas

1. Calcular la altura dinámica total (TDH): La TDH es la resistencia total que debe vencer la bomba. Incluye la diferencia de elevación entre la bomba y el punto de entrega, la pérdida por fricción en la tubería y la altura de aspiración.

1. Cabeza de elevación: En el ejemplo anterior, el tanque de almacenamiento de agua se encuentra aproximadamente 15 pies por encima de la cabina, que está a una elevación de 20 pies de la fuente de agua; por lo que la altura de elevación es de 35 pies.
2. Pérdida por fricción: La pérdida por fricción cuantifica la resistencia al flujo y las pérdidas por fricción que se producen cuando el agua fluye por un conducto como una tubería o una manguera. Esto depende del tamaño y la longitud de la manguera y del caudal. Por ejemplo, considere una manguera de 1" de diámetro con una pérdida por fricción de aproximadamente 4 pies por 100 pies a un caudal de aproximadamente 18,93 litros por minuto (5 galones por minuto) (que es el típico para uso doméstico). Así pues, la pérdida por fricción para una tubería de unos 200 pies de longitud es de (60,96/30,48) * 1,22 = aproximadamente 8 pies.

Nota: Para calcular la pérdida por fricción exacta, determine la hipotenusa del triángulo formado por la distancia horizontal de la bomba a la cabina (200 pies) y la elevación del tanque desde la bomba (35 pies); esto da la longitud exacta de la manguera que transporta el agua bombeada. Además, la pérdida por fricción suele ser pequeña en comparación con la suma de la altura de elevación y la altura de aspiración.

3. Cabezal de succión: La altura de aspiración es la distancia vertical entre el nivel del agua en el río y el centro de la entrada de la bomba. Determina la altura máxima a la que la bomba puede elevar el agua. En este ejemplo, la altura de aspiración es de 1,5 m.

La bomba debe tener una altura de aspiración de al menos 1,5 m para elevar el agua del río al depósito de almacenamiento sin cavitar. La cavitación se refiere a la formación de cavidades o burbujas llenas de vapor en un líquido, como el agua, debido a una disminución de la presión, que puede producirse en una bomba cuando la altura de aspiración es insuficiente, lo que puede causar daños y reducir el rendimiento.

Así pues, la TDH = Altura de elevación + Pérdida por fricción + Altura de aspiración = 35 pies + 8 pies+ 5 pies = aproximadamente 48 pies.

2. Seleccione la bomba: Elija una bomba que pueda suministrar el caudal necesario a la TDH calculada. Los fabricantes de bombas proporcionan curvas de rendimiento para sus bombas, que muestran el caudal a diferentes alturas. Busque una bomba que pueda proporcionar la altura de aspiración, la altura de elevación y el caudal necesarios para la aplicación. Elija una bomba de mayor potencia si llenar el depósito rápidamente es una prioridad. La figura 4 muestra un ejemplo de curva de bombeo. Para un sistema con una altura dinámica total de 48 pies y un caudal requerido de 5 galones por minuto, el usuario puede seleccionar la bomba B (Normalmente las curvas tendrán sus correspondientes potencias al lado, como 0,5HP o ¾ HP).

Mangueras

Las mangueras transportan el agua de la fuente a la bomba y de la bomba al depósito elevado. Las mangueras deben tener una presión nominal suficiente para soportar la salida de la bomba. Las mangueras reforzadas de PVC o caucho serían adecuadas para la aplicación del ejemplo, ya que ofrecen una solución duradera y más permanente en lugar de un escenario en el que las personas deben montar su equipo cada vez que quieren bombear agua. Muchos usuarios optan por un sistema en el que guardan la bomba y la manguera, y cuando surge la necesidad de agua, simplemente recuperan, conectan, bombean y luego guardan el equipo. Este enfoque práctico pone de relieve la importancia de una manguera fiable, como una manguera plana, que puede agilizar considerablemente el proceso, haciéndolo más eficaz y cómodo para acceder a los recursos hídricos. Una manguera de 1" de diámetro suele tener una capacidad de entre 9 y 12 gpm, por lo que sería una opción adecuada para esta aplicación.

Tanque de almacenamiento

El depósito de agua debe estar más elevado que el punto de uso. La fuerza de la gravedad empuja el agua hacia abajo, creando presión. La altura del depósito determina la presión del agua; cuanto más alto sea el depósito, mayor será la presión. El depósito debe poder contener agua suficiente para cubrir todas las necesidades, y también debe estar cubierto y sellado para evitar la contaminación. Ten en cuenta las condiciones meteorológicas a la hora de decidir si colocar el depósito en el interior o en el exterior. Si hace frío, colocar el depósito en el interior puede evitar que el agua se congele, lo que podría dañar el depósito. Sin embargo, una cisterna exterior puede ser más conveniente en climas templados y ahorrar espacio en el interior. El depósito puede ser cuadrado o redondo.

• Los depósitos cuadrados son compactos y fáciles de mover. Sin embargo, puede que no tengan la resistencia estructural inherente de los depósitos redondos debido a sus paredes planas. Añadir una jaula metálica proporciona soporte estructural y evita que el depósito se hunda o deforme al llenarse.
• Los depósitos redondos ocupan más espacio horizontal.

Es una buena idea tener una vía de escape para el agua sobrante si el depósito se llena demasiado al bombearlo lleno de agua. Esto evitará que estalle o inunde su cabina si el depósito está en el interior. Considere la posibilidad de instalar una válvula de bola en la parte superior del depósito que pueda abrirse durante el bombeo y cerrarse cuando se haya completado el llenado.

Vacío en el depósito de almacenamiento

El uso de agua de un depósito sellado creará un vacío en el depósito. Al salir el agua, el aire del interior del depósito se expande para llenar el espacio vacío. Esto reduce la presión dentro del depósito, creando un vacío.

La cantidad de vacío creada dependerá de algunos factores, como el tamaño del depósito, la velocidad a la que se utiliza el agua y la temperatura del agua. Si el depósito es grande y el agua se utiliza lentamente, el vacío será menor que si el depósito es pequeño y el agua se utiliza rápidamente. Además, cuanto más caliente esté el agua, más se expandirá, creando un mayor vacío.

He aquí algunos consejos para reducir el vacío creado en su depósito de agua:

• Llene el depósito lentamente.
• Instale un disyuntor de vacío o una válvula limitadora de presión.
• Evite utilizar demasiada agua a la vez.

Tuberías

Finalidad y tipos

El depósito de almacenamiento está conectado a las instalaciones mediante tuberías. La diferencia de altura entre el depósito y el punto de uso crea presión de agua en estas tuberías. La gravedad tira del agua hacia abajo y la fuerza a través de las tuberías, el grifo y el inodoro cuando se abre.

• Tuberías de PEX (polietileno reticulado): Las tuberías PEX son flexibles, fáciles de instalar, resistentes a la cal y el cloro, y aptas para agua caliente y fría. Además, no necesitan soldadura como el cobre. Sin embargo, no son adecuados para su uso en exteriores, ya que pueden degradarse bajo la luz ultravioleta.
• Tuberías de cobre: Los tubos de cobre son muy duraderos, resistentes a la corrosión y pueden soportar temperaturas frías y calientes. Suelen utilizarse en construcciones o reformas de alto nivel. Sin embargo, son más caros y requieren conocimientos de soldadura para instalarlos.

Diseño

El tendido de tuberías de agua implica una cuidadosa planificación para garantizar un rendimiento óptimo del sistema y un mantenimiento sencillo. He aquí algunas consideraciones importantes:

• Diseño del edificio: El trazado influye significativamente en cómo y por dónde discurren las tuberías de agua. Es esencial conocer a fondo el diseño del edificio, incluida la ubicación de las instalaciones y aparatos que necesitan agua.
• Aislamiento: Aísle las tuberías para evitar la congelación y la pérdida de calor. Esto es crucial para las viviendas aisladas, que pueden no mantener una temperatura interna constante. Los materiales de aislamiento incluyen tubos de espuma aislante o cables calefactores para climas extremadamente fríos.
• Senda: El recorrido de las líneas debe evitar el cableado eléctrico, los conductos de calefacción y las zonas donde puedan dañarse, como portales o zonas muy transitadas.
• A través de la pared: Para tender tuberías de agua en las paredes, taladre agujeros a través de los montantes y pase las tuberías. Utilice escudos para evitar perforar la tubería. Las tuberías horizontales deben discurrir por debajo de las salidas de suministro y desagüe para permitir una pendiente descendente.
• En techos: El tendido de tuberías en techos es menos habitual, sobre todo por los posibles daños en caso de fuga. Sin embargo, puede ser necesario en edificios de varios pisos.

Tome nota: Las mangueras flexibles pueden ser más prácticas en algunas situaciones, especialmente si es necesario mover las unidades de servicios públicos. Estas mangueras deben ser seguras para el agua potable si se utilizan para agua potable. Las mangueras trenzadas de acero inoxidable se utilizan habitualmente para este fin por su durabilidad y seguridad.

Dimensionamiento

Tenga en cuenta el caudal y la presión de las tuberías que transportan el agua desde el depósito hasta las instalaciones. Es posible que se necesiten tuberías más grandes para manejar el caudal combinado si se pudieran utilizar varios aparatos simultáneamente. Sin embargo, una tubería de 1/2" podría servir bien para cada aparato, ya que normalmente puede manejar un caudal de 1,5 gpm, que es suficiente para la mayoría de los aparatos.

Válvulas

Las válvulas se utilizan en un sistema de agua alimentado por gravedad para controlar el caudal de agua, aislar secciones del sistema para su mantenimiento y evitar el reflujo.

• Válvulas de retención: En la salida de la bomba suele colocarse una válvula antirretorno. Permite que el agua fluya sólo en una dirección hacia el depósito de almacenamiento. Cuando la bomba está apagada, impide que el agua vuelva al pozo o a la fuente de agua. En algunos casos, la bomba puede llevar una válvula de retención incorporada.
• En el tanque de almacenamiento: A menudo se utilizan dos válvulas. Una válvula de cierre (como una llave esférica) en la entrada permite al usuario detener el flujo de agua hacia el depósito, lo que resulta útil para limpiarlo o repararlo.
• A la salida del tanque: Se puede colocar otra válvula de cierre a la salida del depósito. Esto evita que el agua fluya del depósito a las tuberías cuando se reparan o sustituyen piezas del sistema de tuberías.
• En cada punto de utilización: A menudo se instalan válvulas de cierre independientes en cada punto (por ejemplo, debajo de cada fregadero, detrás del inodoro, en el calentador de agua, etc.). Permiten detener el flujo de agua a instalaciones individuales sin afectar al resto del sistema.
• Válvulas de drenaje: Las válvulas de drenaje se colocan en los puntos más bajos del sistema, como el fondo del depósito, o en los puntos bajos de las tuberías para drenar el sistema con fines de mantenimiento o acondicionamiento para el invierno (tema que se tratará más adelante).

Cada válvula debe ser compatible con el agua y tener el tamaño adecuado para adaptarse a su caudal y presión (que se analizan más adelante).

Conexión de dispositivos

Sistema de calefacción por agua

En un sistema de fontanería aislado, la tubería de agua caliente suele estar conectada a un sistema de calentamiento de agua, como un calentador de agua solar, un calentador de propano o una estufa de leña con un accesorio para calentar agua. A continuación, el agua calentada se distribuye a través de la línea de agua caliente a diversas salidas del sistema, como duchas, fregaderos y lavadoras. El conducto de agua caliente debe estar debidamente aislado para evitar pérdidas de calor durante el transporte.

Grifos

Existen dos opciones principales de grifería:

• Grifo estándar: Muchos grifos estándar tienen un caudal de 2,2 galones por minuto (GPM) o más. Los grifos estándar no suelen incorporar funciones que reduzcan el consumo de agua, como aireadores o limitadores de caudal, que dividen el agua que fluye en finas gotas, reduciendo así la cantidad de agua utilizada sin comprometer el rendimiento.
• Grifos de baja presión: Están diseñados para limitar la cantidad de agua que sale, lo que los hace más eficientes que los grifos normales. Son ideales para sistemas aislados en los que la conservación del agua es una prioridad. Los grifos de bajo caudal suelen tener un caudal de 1,5 GPM o incluso menos. Esto significa que se utiliza mucha menos agua con un grifo de baja presión, incluso para tareas sencillas como lavarse las manos o enjuagar los platos.

Filtración

Dependiendo de la calidad de la fuente de agua, puede ser necesario un sistema de filtración o purificación para garantizar que el agua sea segura para beber y otros usos. Puede tratarse de un simple filtro de malla para eliminar sedimentos y residuos o de un sistema más complejo para eliminar bacterias, virus y otros contaminantes. Los filtros suelen instalarse en los siguientes lugares:

• Después de la bomba pero antes del depósito de almacenamiento
• Antes de la bomba en la manguera de aspiración
• Un filtro secundario en el grifo para el agua potable

Un filtro de sedimentos básico puede ser suficiente si el agua está relativamente limpia y necesita estar libre de sedimentos. Sin embargo, si el agua de origen contiene bacterias u otros microorganismos, utilice un filtro UV o un sistema de ósmosis inversa.

Invernaje

El acondicionamiento para el invierno de las tuberías de los sistemas de agua no conectados a la red es crucial para evitar que se congelen y puedan reventar, lo que podría dar lugar a costosas reparaciones. Una forma práctica de evitar o ralentizar la congelación es cubrir el depósito con tela negra resistente para jardinería. Aquí tienes una guía paso a paso sobre cómo preparar para el invierno un sistema de fontanería aislado:

1. Cierre el suministro de agua: Cierre el suministro de agua (cerrando la válvula de entrada del depósito) para evitar que entre más agua en el sistema.
2. Vacíe el sistema: Abra la(s) válvula(s) de desagüe para que salga el agua de las tuberías. Además, abre todos los grifos para ayudar a que el sistema drene completamente.
3. Utilice aire para expulsar el agua restante: Una vez vaciada la mayor parte del agua, utiliza un compresor de aire para soplar el agua restante que pueda congelarse. Conecte el compresor de aire al sistema (en un grifo o en la válvula de desagüe) y aplique una presión baja para expulsar el agua restante. Asegúrese de abrir cada grifo de uno en uno hasta que haya salido toda el agua.
4. Añade anticongelante: Añada anticongelante de fontanería no tóxico al sistema para mayor protección. Vierta el anticongelante en todos los desagües, inodoros y electrodomésticos. Esto evitará que el agua restante se congele. El anticongelante de fontanería no tóxico está diseñado para ser seguro para el sistema de fontanería y suele ser biodegradable. Permanece en las tuberías y desagües hasta que se elimina gradualmente mediante el uso regular del agua una vez que el clima se calienta.
5. Aísle las tuberías: Aislar las tuberías puede ayudar a evitar que se congelen. Utiliza aislamiento de tuberías o cinta térmica en las tuberías expuestas al frío.
6. Válvulas de cierre: Por último, cierre todas las válvulas y grifos de su sistema. Esto incluye las válvulas de cierre en cada punto de uso y la válvula de salida principal en el tanque de almacenamiento.

Caída de presión

Determinar la pérdida de presión de un depósito elevado es crucial para garantizar que el caudal de agua es suficiente para las necesidades del sistema y para evitar daños en las instalaciones de fontanería y los electrodomésticos causados por una presión excesiva.

Presión estática

La presión en un depósito de agua elevado puede determinarse mediante la fórmula:

P = ρgh

• P: Presión del fluido
• ρ: Densidad del fluido
• g: Aceleración debida a la gravedad
• h: Altura de la columna de fluido por encima del punto en cuestión

En este caso, el fluido es agua, por lo que la densidad ρ es de aproximadamente 1000 kg/m^3. La aceleración debida a la gravedad g es de unos 9,81 ^m/s2. La altura h es de 4,57 m.

Entonces, P = 1000 kg/m^3 * 9,81 m/s^2 * 4,57 m = 44,77 kPa (6,5 psi)

Es la presión en el fondo del depósito o en una salida a nivel del suelo. Si la salida es más alta, utilice la altura de la columna de agua por encima de esa salida.

Caída de presión

Cuando el agua fluye, la presión efectiva se reduce debido a las pérdidas por fricción y otros factores. La caída de presión suele calcularse mediante la ecuación de Darcy-Weisbach:

• ΔP: Caída de presión
• f: Factor de fricción Darcy
• L: Longitud del tubo
• V: Velocidad del flujo
• D: Diámetro del tubo
• 𝝆: Densidad del fluido

El factor de fricción Darcy viene determinado principalmente por el tipo de flujo (laminar o turbulento) y la rugosidad de la superficie interna de la tubería. Puede obtenerse mediante tablas de consulta, correlaciones o programas informáticos a partir de datos experimentales. Aplique la ecuación a cada sección de tubería y accesorio para calcular la pérdida de presión en cada salida.

Considere la posibilidad de calcular la pérdida de presión en un fregadero. Supongamos un factor de fricción (f) de 0,02 (típico para tuberías lisas) y una velocidad (v) de 1 m/s (típica para el suministro de agua doméstica).

ΔP = 0,02 * (10m / 0,025m) * (1000 kg/m³ * (1 m/s)² / 2) = 16000 Pa (2,32 psi). Es la pérdida de presión debida a la fricción en la tubería.

La presión real en la salida cuando el agua fluye será la presión estática menos la presión dinámica:

P_outlet = P - ΔP = 44817.7 Pa - 16000 Pa = 28817.7 Pa (4.17 psi)
Tome nota:

• Utilice un manómetro en la salida para obtener las lecturas de presión más precisas. Esto proporcionará lecturas de presión en tiempo real que pueden compararse con los cálculos para garantizar la precisión.
• Se trata de un ejemplo simplificado; las condiciones pueden variar en función de las curvas de las tuberías, las válvulas, los accesorios, etc. Además, el factor de fricción y la velocidad de flujo suelen tener que calcularse a partir de información más detallada sobre la tubería y las condiciones de flujo. Empiece por comprender los fundamentos de la resistencia en su sistema de agua. Reúna la información pertinente, investigue el tamaño de las tuberías y calcule la velocidad del caudal para tener una idea inicial del problema.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las opciones para el suministro de agua fuera de la red?

Dependiendo de la ubicación y de los recursos disponibles, las opciones de suministro de agua fuera de la red incluyen la recogida de agua de lluvia, el agua de pozo, el agua superficial de arroyos o estanques y el suministro de agua por camión.

¿Cómo obtengo agua caliente sin conexión a la red eléctrica?

Para obtener agua caliente sin depender de la red eléctrica, considera opciones como los calentadores de agua solares, los calentadores de agua sin depósito de propano o gas, o los calentadores de agua de leña, en función de tu fuente de energía y tus preferencias.

¿Cómo funciona la fontanería sin conexión a la red?

Obtenga agua de pozos, manantiales o de la lluvia, almacénela en depósitos, utilice bombas alimentadas por energías renovables, distribuya el agua por tuberías hasta los grifos y considere opciones de gestión de residuos.