SECCIÓN 3 SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS

 

 

 

CAPÍTULO 5. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES

 

 

5.1        SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES

 

El agua que es descargada de muebles sanitarios, de equipos, la materia orgánica flotante, el agua pluvial o de tormenta, así como cualquier agua residual que puede ser un foco de contaminación, debe ser removida de manera rápida y expedita de los edificios hacia plantas de tratamiento o puntos de disposición de la misma; de no realizarse lo anterior, las personas podrían estar expuestas a substancias dañinas a su salud. Básicamente, se trata de diseñar un sistema de recolección de aguas residuales, que utilice el menor diámetro de tuberías, de tal manera que permita la conducción de las aguas residuales sin obstrucciones, y sin producir fluctuaciones excesivas de la presión, en los puntos donde las tuberías horizontales de drenaje de los muebles se conectan a las tuberías verticales de drenaje o bajantes, que podrían eliminar los sellos de agua o sifones, permitiendo el ingreso de olores indeseados al edificio.

 

Un sistema de remoción de aguas residuales consta básicamente de un sistema de recolección de aguas residuales y de un sistema de ventilación del mismo.

 

El sistema de recolección de aguas residuales incluye todas las tuberías instaladas dentro del edificio para conducir las aguas de desecho, las aguas pluviales, así como cualquier agua no deseable en el edificio que debe ser conducida hacia un sitio de disposición de las mismas. Las aguas pluviales o de tormenta, serán tratadas en una sección posterior, puesto que la naturaleza de los fenómenos hidráulicos entre éstas y la recolección de las aguas residuales son distintos; en el primer caso, el diseño se basa en consideraciones de flujo

permanente, y en el segundo es de tipo transitorio; por lo anterior, el diseño de cada uno de ellos es distinto e independiente.

 

El sistema de ventilación consta de diversas tuberías que proporcionan un flujo de aire hacia el sistema de recolección de aguas residuales con el objeto de evitar variaciones bruscas en la presión, manteniéndose con esto los sifones o sellos de agua.

 

En una forma simplificada, el sistema de recolección de aguas residuales de un edificio consiste básicamente de un drenaje del edificio, uno o varios bajantes de aguas residuales, ramificaciones horizontales o drenajes de muebles sanitarios, y tuberías de ventilación. Cuando se trata de grandes edificios pueden tener uno o más drenajes, cada uno de los cuales puede tener ramificaciones primarias y secundarias y cualquier número de bajantes de aguas residuales y de ventilación.

 

5.2        COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES Y DE VENTILACION

La recolección de las aguas residuales se inicia en el drenaje de cada mueble sanitario o equipo; pequeñas tuberías conducen las aguas residuales desde los sifones o sellos de agua; después ramificaciones horizontales de tuberías las llevan hacia los bajantes de aguas residuales. En algunos casos, se separan las aguas jabonosas de las aguas negras; las primeras son todas aquellas libres de material fecal como podría ser el agua proveniente de cocinas, lavaderos, tinas, duchas, etc.

 

Los bajantes conducen las aguas residuales hacia el drenaje del edificio, el cual debe estar por debajo del nivel de todas las tuberías de recolección de aguas residuales del edificio; éste, finalmente, descarga las aguas residuales al sitio de disposición de las mismas.

 

Si los bajantes de aguas residuales no tienen un suministro continuo de aire, al ocurrir las descargas de las aguas residuales se desarrollan presiones en las tuberías que arrastran los sellos de agua de los sifones, con el consiguiente ingreso de malos olores al edificio. Por tanto, se utilizan bajantes de ventilación que están conectados a los bajantes de aguas

residuales, así como a las ramificaciones horizontales de drenaje a fin de suministrar el aire que sea necesario, para mantener la presión atmosférica. Asimismo, cada mueble sanitario debe tener una ventilación individual que se conecta al bajante de ventilación. La figura 5.l., muestra un esquema general de un sistema de recolección de aguas residuales. Posteriormente, describiremos cada uno de los elementos que lo integran.

 

 

Figura 5. l. Sistema de recolección de aguas residuales en un edificio de varios niveles

 

 

5.3        NATURALEZA DE LOS FENÓMENOS HIDRÁULICOS

 

Los fenómenos hidráulicos que se presentan en un sistema de recolección de aguas residuales son sumamente complejos, debido a la existencia de flujos transitorios, así como a las mezclas de aire y agua que existen. Aunque no haremos un análisis teórico de estos fenómenos, a fin de tener una idea general de los mismos, describiremos a continuación los más importantes.

 

 

5.3.1       SISTEMA DE DRENAJE POR GRAVEDAD.

 

Como primera característica importante, debemos considerar que los sistemas de recolección de aguas residuales en edificios, casi sin excepción, son sistemas no-presurizados o sistemas de drenaje por gravedad; esto es, las tuberías no fluyen llenas o a capacidad total, por lo tanto no existen presiones hidrostáticas en el sistema. Los bajantes no deben fluir a más de una tercera o cuarta parte de su capacidad, a fin de evitar fluctuaciones de presión excesivas o ruidos en el sistema.

 

Sin embargo, la tubería de drenaje de un mueble sanitario podría fluir a su máxima capacidad durante períodos cortos de tiempo, en tanto ésta descarga en el sitio en el cual está conectada a una ramificación horizontal del drenaje o al bajante de aguas residuales, los cuales fluyen a una tercera o cuarta parte de su capacidad. También los bajantes de aguas residuales podrían fluir, ocasionalmente, a tubo lleno en los cambios bruscos de dirección de los mismos, debido a la presencia de saltos hidráulicos.

A pesar de la presencia de los casos anteriores, el sistema de recolección de aguas residuales es considerado en su diseño como un sistema que opera por gravedad.

 

 

5.3.2       CARGAS O GASTOS DE DRENAJE

 

 

El uso de los muebles sanitarios de edificios es aleatorio, por lo que su operación es intermitente y su frecuencia de uso irregular. Así, la característica más importante de los muebles sanitarios es que no son usados de manera continua y la frecuencia de uso varía ampliamente durante el día; además, cada mueble sanitario tienen diferencias notables en su descarga, tanto en el gasto utilizado como en la duración del mismo.

 

Por tanto, es posible utilizar el criterio de Hunter aplicando la teoría de la probabilidad, a fin de establecer, de manera similar a la unidad-mueble, una unidad-descarga que será utilizada para el diseño de los diámetros de las tuberías del sistema de recolección de aguas residuales. Es claro que mientras mayor sea el número de muebles en operación simultánea, menor será la probabilidad de ocurrencia del evento.

 

La tabla 5.1. contiene los valores de unidades-descarga para diversos equipos y tipos de muebles sanitarios, así como los diámetros mínimos de las tuberías para cada uno de ellos.

 

 

Tabla 5.1. Unidades de descarga y diámetros mínimos recomendados para diversos muebles sanitarios1[1]

 

MUEBLE SANITARIODIÁMETRO MÍNIMO

(mm)UNIDAD-DESCARGA

Baño con WC de tanque, lavabo y tina o regadera

75 6

Baño con WC de fluxómetro, lavabo y tina o regadera

75 8

1 [1] Tabla modificada de Manas Vincent T., "National Plumbing Code

Handbook: Standards and Design Information, McGraw Hill, USA,

Tablas 11.4.2. "Fixture units per fixture or group"y 11.4.3., pp. 11-711.8.

 

Bebedero 32 0.5

Bidet 38 3

Coladera de piso en baño o sanitario (b) 50 1

WC de tanque 75 4

WC de fluxómetro 75 8

Lava-vajillas doméstico 32 2

Fregadero doméstico con triturador 38 4

Fregadero doméstico para ollas y trastos 38 3

Lavabo pequeño (c) 32 1

Lavabo grande (c) 38 2Lavabos corridos múltiples, por cada juego de llaves

38 2

Lavabo o sillón dental 32 1Lavabo para cirujanos 38 2Lavabo para barbería o salón de belleza 38 2Lavadora automática de ropa, doméstica 50 3Lavadero con pileta 38 1Tina (a) 50 2Ducha o regadera múltiple, por cada salida 50 3Tina, con o sin ducha (a) 38 2Mingitorio, con llave de control 50 4Mingitorio de pedestal con fluxómetro 75 8Mingitorio corrido, por cada 60 cm 38 2Vertedero con fluxómetro, en hospital 75 8Vertedero de aseo 75 3Desagüe no clasificado de 32 mm 32 1Desagüe no clasificado de 38 mm 38 2Desagüe no clasificado de 50 mm 50 3Desagüe no clasificado de 63 mm 63 4Desagüe no clasificado de 75 mm 75 5Desagüe no clasificado de 100 mm 100 6Descarga continua o intermitente de bombas, equipo de clima o similares con Q en litros por segundo

-- 0.126 Q

 

OBSERVACIONES A LA TABLA 5. l.:

 

a) Una ducha en una tina no incremento el número de unidades-descarga.

b) El tamaño de la coladera de piso es determinado en función del área a drenar.

c) Los lavabos con sifones de 32-38 mm tienen el mismo valor de unidades-descarga; el valor se incremento cuando se incremento el gasto de descarga de cualquiera de ellos.

 

 

 

5.3.3       SIFONES Y TRAMPAS HIDRÁULICAS DE MUEBLES SANITARIOS

 

Con objeto que las aguas residuales puedan fluir libremente en el sistema de recolección del edificio hacia el alcantarillado municipal y evitar, a la vez, el ingreso de malos olores, insectos, etc. hacia el interior del mismo, debemos utilizar algún dispositivo hidráulico. Este dispositivo es el conocido como sifón o trampa hidráulica; estas trampas son insertadas entre la tubería de drenaje y el mueble sanitario. La forma más común de estas trampas es en U, y son aproximadamente del mismo diámetro del drenaje del mueble sanitario que sirve. La figura 5.2. muestra un dispositivo de este tipo.

 

La salida de la trampa en forma de U, está a un nivel mayor que la base de la misma, donde permanece un sello de agua una vez que el mueble sanitario ha descargado. Para lograr la permanencia de este sello de agua, requerimos que las fluctuaciones de presión dentro del sistema de recolección de aguas residuales debido a las descargas de los muebles sanitarios sean mínimas en los puntos de confluencia de los drenajes horizontales con los bajantes a fin de evitar la presencia de presiones negativas que originen la succión de dicho sello, con el consiguiente ingreso de insectos, malos olores, etc.

 

Existen dos formas en que el sello sanitario es eliminado; ambos casos se conocen con el nombre de sifonaje.

 

 

Figura 5.2. Efecto sobre los sellos sanitarios debidos a la reducción de presión en el sistema de recolección de aguas residuales un edificio

 

 

El primer caso, es aquél en el que las fluctuaciones de presión causadas por muebles sanitarios del sistema, diferentes al sello sanitario en cuestión, originan una succión que elimina dicho sello; este fenómeno se designa con el nombre de sifonaje inducido.

 

La forma en que ocurre el sifonaje inducido es como sigue: Los sellos sanitarios tienen dos secciones, en las cuales el agua tiene el mismo nivel, siempre y cuando no existan descargas o variaciones de presión esto es, en ambos lados actúa la presión atmosférica. Si ahora consideramos una variación negativa de la presión en el bajante de aguas residuales, -Ap, donde p tiene el siguiente valor:

 

p = gh = h

 

donde:

 

p presión neumática en exceso en el drenaje

densidad del agua

g aceleración de la gravedad

h diferencia de nivel de las superficies del agua entre los lados del sello sanitario.

peso específico del agua

 

se origina una succión en el lado del sello sanitario conectado al bajante de aguas residuales. Cuando la presión negativa se hace cero, esto es, se logra la estabilización de las presiones, solamente una parte del sello de agua original permanece; la columna de agua perdida se muestra con la altura h1, y la que permanece, se muestra con hr. (Véase la figura 5.2.)

 

También puede darse el caso de presiones positivas en exceso, con lo que se origina un flujo de la columna de agua hacia el mueble sanitario al cual está conectado el sello de agua.

 

El segundo caso, se produce cuando el sello sanitario es reducido debido a la descarga del mueble al cual está conectado; se conoce con el nombre de autosifonaje. La forma en que ocurre este fenómeno es más complicado que el caso anterior.

 

Utilizaremos la descarga en un lavabo para describir el autosifonaje, ya que estos muebles, al ser elaborados con fondos redondeados, tienen una fuerte tendencia hacia el autosifonaje. (Véase la figura 5.3.)

 

 

Figura 5.3. Diagrama de instalación de un lavabo

 

 

La descarga de un lavabo es alta al principio, descendiendo tanto como el tirante en el mismo disminuye, hasta que bruscamente se acerca a cero, con la formación simultánea de un vórtice que permite el ingreso de aire al drenaje.

 

Cuando un mueble sanitario tiene fondos planos, existe un prolongado "flujo de arrastre" que permite que el agua del mueble sea drenado lentamente, con lo que se logra llenar nuevamente el sello sanitario, pero en el caso del lavabo, debido a que el "flujo de arrastre" es muy breve y rápido, no es fácil el llenado del sello sanitario.

 

Los drenajes de los lavabos y sus trampas sanitarias son usualmente de 32 mm. Cuando un drenaje de este diámetro tiene una pendiente del 2% o mayor, tiene la capacidad adecuada para conducir la descarga del lavabo sin llenar la sección transversal, permitiendo que el agua ingrese al drenaje en la dirección de su eje, siempre y cuando se trate de gastos pequeños; los gastos mayores al pasar por el sello sanitario son empujados verticalmente hacia arriba, por lo que el agua se adhiere a la parte superior de la tubería de drenaje en el ingreso de la misma, dando como resultado, en ese punto, el llenado total de la sección de la tubería; este llenado total de la sección de la tubería del drenaje frecuentemente se extiende una distancia considerable, y en algunos casos casi hasta llegar al bajante de aguas residuales. (Véase la figura 5.3.)

 

El aire que es arrastrado por el "desagüe de excedencias" del lavabo pasa a la tubería de drenaje en forma de burbujas, que son arrastradas en la parte superior de la misma. Si existe

suficiente aire en el agua, cuando la descarga del lavabo se detiene, las burbujas permiten al agua separarse de la parte superior de la tubería de] drenaje, por lo que el efecto de pistón del agua que podría ocurrir, es prevenido; pero si el agua continúa llenando la sección transversal del drenaje, cuando la descarga del lavabo decrece, moviéndose aguas abajo, crea una reducción de presión que succiona el agua del sello sanitario, de la misma manera que sucede cuando se presenta el sifonaje inducido.

 

Por otro lado, si la corriente de agua que trata de ingresar al bajante, tiene una velocidad suficientemente alta, podría su flujo chocar con la pieza especial instalada en la unión de dicho bajante y la tubería de drenaje del mueble sanitario, por lo que se llena en su totalidad la sección de aquél. Entonces, al disminuir la descarga del lavabo, esta obstrucción actúa como un pistón, empujando el aire en la tubería de drenaje del lavabo, por lo que se presentan variaciones en la presión, dando origen a las condiciones que permiten la reducción del sello sanitario.

 

La manera de evitar la pérdida de los sellos sanitarios es por medio de un adecuado sistema de ventilación, que permita variaciones máximas de presión de 2.5 cm de columna de agua. Estos sistemas serán tratados posteriormente.

 

 

5.3.4       FLUJO EN BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES

 

El ingreso del flujo a los bajantes de aguas residuales se realiza a través de diversos accesorios sanitarios como podrían ser tees de radio largo o yees. Cada uno de estos accesorios permite que los flujos ingresen con una componente vertical hacia abajo de la velocidad.

 

Dependiendo del gasto de ingreso al bajante, del diámetro del bajante, del tipo de accesorios utilizados, del flujo descendente de los niveles superiores, etc. podría o no, ser llenada la sección transversal del bajante en el sitio de entrada de flujos horizontales. Tan pronto como ingresa el flujo al bajante, éste cae en la parte central del mismo siendo acelerado hacia abajo por la acción de la gravedad, hasta que después de cierto recorrido forma una película que cae en espiral pegada a las paredes de dicho bajante; esta lámina de agua continúa acelerándose, siendo su espesor inversamente proporcional a su velocidad,

hasta que las fuerzas de fricción ejercidas por la pared del bajante sobre la misma igualan la fuerza de gravedad.

 

A partir de este punto, si la longitud a la cual cae la lámina de agua es suficiente, ésta permanece sin cambios en su espesor y su velocidad, hasta alcanzar la parte inferior del bajante, siempre y cuando no se tengan flujos que produzcan interferencia en otros niveles.

 

La velocidad que mantiene la lámina de agua al equilibrarse las fuerzas de fricción y de gravedad, se conoce como velocidad terminal; la distancia en la cual dicha lámina alcanza la velocidad terminal se designa como longitud terminal.

 

La longitud terminal se encuentra en un rango de 1 a 2 niveles de un edificio, esto es, de 3 a 7 metros.

 

En la parte central del bajante se tiene aire que es arrastrado conjuntamente con el agua, y por tanto debe tenerse una fuente de suministro del mismo, a fin de evitar reducciones excesivas de presión en el bajante. La forma usual de proporcionar aire es mediante la utilización de tuberías de ventilación de bajante, que son secciones del bajante que se prolongan por encima de la azotea a fin de permitir el acceso de aire; para que exista un ingreso de aire, se requiere la existencia de una reducción de presión, que es proporcionada por el arrastre del aire existente en el bajante al tener flujos de agua residual.

 

Durante la caída de la lámina de agua en el bajante, al pasar ésta en alguna intersección del bajante con otra tubería horizontal, podrían tenerse flujos de agua que caen hacia la parte central de aire del bajante, dando como consecuencia dos masas de agua que caen irregularmente: una lámina de agua pegada a la pared y otro flujo en la parte central del bajante. El agua que fluye en la parte central del bajante, podría adherirse a la lámina de agua pegada a la pared, si la longitud de caída es lo suficientemente amplia, de uno o dos niveles al menos.

 

Si al estar cayendo la lámina de agua en el bajante de aguas residuales, atraviesa alguna intersección del mismo con una ramificación horizontal que esté descargando a dicho bajante, el agua que ingresa se mezcla con la lámina de agua que cae o desvía el flujo de ésta. En cualquier caso, se requiere una energía adicional en la ramificación horizontal para

que la mezcla o la desviación ocurran, la cual debe ser mayor si el gasto y la velocidad del flujo del bajante se incrementan. Este tipo de interferencia genera turbulencias en la entrada de la ramificación. En la figura 5.4. podemos ver un diagrama de este tipo de interferencia de flujos.

 

 

Figura 5.4. Diagrama de interferencia de flujos de bajante y ramificaciones horizontales

 

 

5.3.5       FLUJO EN COLECTORES DEL EDIFICIO

 

Cuando la lámina de agua que desciende en el bajante alcanza la base del mismo, ésta es desviada generalmente con un ángulo de 90° hacia el colector del edificio; si el espesor de la lámina de agua no es demasiado grande, ésta podría desviarse sin despegarse de las paredes de la tubería, sin embargo, una vez que ha viajado una longitud máxima igual a 10 diámetros del bajante, se despega de la parte superior de la tubería del colector del edificio, manteniendo una velocidad mayor que la existente en el flujo del colector; obviamente la pendiente del colector del edificio no es la adecuada para mantener la velocidad del flujo de agua que egresa del bajante, por lo tanto, su velocidad disminuye a la vez que incremento su tirante de flujo, hasta que bruscamente llega a un nivel que casi ocupa toda la sección transversal de la tubería del colector. Este fenómeno se conoce como salto

hidráulico, es decir, se tiene una sección de control al producirse un cambio de régimen supercrítico a régimen subcrítico. (Véase la figura 5.5.)

 

Figura 5.5. Salto hidráulico en colectores de edificios

 

Así, el colector tiende a tener un flujo a tubo lleno hacia aguas abajo, con grandes burbujas de aire que se mueven en la parte superior de la tubería. Si el colector es lo suficientemente largo para conducir adecuadamente el flujo, la sección transversal del mismo es llenada hasta un punto que se conoce como de "rebote" del agua. El salto hidráulico que se presenta tiene un efecto importante en la presión neumática, puesto que al llenar el agua la sección transversal de la tubería, se impide el libre paso del aire en esa sección, dando como resultado un incremento de la presión en el bajante de aguas residuales.

 

 

5.3.6       CONDICIONES DE PRESIÓN NEUMÁTICA EN BAJANTES Y COLECTORES DE AGUAS RESIDUALES

 

Como ya hemos mencionado anteriormente, el flujo de las aguas residuales en bajantes y ramificaciones horizontales, excepto en contadas excepciones, permiten un tránsito libre del aire en ellas, puesto que las secciones transversales no fluyen a tubo lleno. Por tanto, se tiene un ingreso de aire a partir de la ventilación del bajante y de las ramificaciones horizontales, siempre y cuando no se tengan obstrucciones en las intersecciones; así, el aire fluye libremente en todo en sistema, con excepción del colector del edificio en el que, debido a la presencia de saltos hidráulicos, podrían presentarse retrasos en el flujo del aire, dando como

consecuencia una tendencia a presiones positivas en la parte inferior de los bajantes de aguas residuales.

 

Si el aire ingresa al bajante de aguas residuales, reemplazando al que es arrastrado con el agua que desciende, debe existir una reducción de la presión dentro de dicho bajante; esta reducción de presión debe ser muy pequeña, de solamente una fracción de una 2.5 cm (1 pulgada) de columna de agua, tomando en cuenta la pérdida de energía necesaria para acelerar el aire y también para superar las pérdidas locales en la entrada.

 

Mediciones realizadas en los bajantes de aguas residuales, muestran que se tienen descensos máximos en la presión a distancias muy cercanas del punto de ingreso de agua, misma que disminuye conforme se incremento la distancia de recorrido del agua; el incremento de la presión es debido principalmente a la presencia del salto hidráulico en el colector del edificio, ya que al bloquearse, parcial o totalmente, la sección transversal de la tubería se impide el flujo libre del aire en la misma. Los resultados de las pruebas que se muestran en la figura 5.6., fueron realizadas en un bajante de 3" de diámetro, sin ventilación y el colector presentaba la condición de sumergencia en su descarga.

 

Figura 5.6. Variaciones de las presiones neumáticas en un bajante de aguas residuales

 

 

De hecho, la presión en el bajante debe mantenerse en 2.5 cm, por encima o por debajo de la presión atmosférica, en los puntos donde ingresa el drenaje de los muebles sanitarios al bajante, si desean mantenerse los sellos sanitarios en el interior del edificio. Podrían presentarse incrementos en la presión del bajante aún cuando no se tienen bloqueos totales del flujo de aire, debido a la presencia de saltos hidráulicos en el colector del edificio; si queremos evitar que las variaciones de presión excedan el límite máximo establecido de variación, debemos suministrar aire al bajante, a fin de mantener las presiones lo más cercanas a la presión atmosférica.

 

 

5.3.7       FLUJO EN DRENAJES DE MUEBLES SANITARIOS

 

El flujo en los drenajes de los muebles sanitarios requiere atención especial; éstos descargan a un drenaje, el cual cuenta con un sello sanitario entre el drenaje y dicho mueble. Así, la determinación del diámetro del drenaje parece un problema muy sencillo, ya que éste solamente debe conducir la descarga del mueble sanitario al que está conectado. Sin embargo, debido al autosifonaje, es recomendable seleccionar un diámetro que no fluya a más de la mitad de su sección transversal, con la descarga máxima que pueda presentarse.

 

A pesar de lo anterior, con el drenaje de un mueble sanitario no podemos, como en el caso de los bajantes y los colectores, calcular simplemente el diámetro de la tubería que se requiere para un gasto de diseño, para trabajar a un tirante máximo de media sección transversal. En el drenaje de un lavabo, por ejemplo, que es capaz de conducir, en flujo permanente, cierto gasto, podría presentarse en otra sección de dicho drenaje un flujo a tubo lleno. Las razones para que esto ocurra es que la componente vertical del flujo al salir del sello sanitario, favorece la adherencia del mismo a la pared superior de la tubería del drenaje, y una vez que esto sucede, el aire no puede ser aspirado fácilmente, puesto que el flujo ocupa toda la sección de la tubería, y la velocidad promedio es menor que la requerida para lograr un flujo permanente. Por tanto, si el drenaje anterior está conectado a un bajante, el flujo que descarga tiene gran posibilidad de llenar toda su sección transversal.

Así, dependiendo de las características de la descarga del mueble sanitario que sirve la tubería de drenaje, el problema de flujo a tubo lleno, puede ser o no significativo.

 

A continuación, en las figuras 5.7. y 5.8., mostramos las curvas de descarga de dos muebles sanitarios: el WC de tanque y el fregadero de cocina, con y sin canastilla. El objetivo es

mostrar la forma en que se realiza cada una de las descargas; fueron escogidos estos dos muebles, debido a la marcada diferencia en las curvas de descarga, lo que permite ejemplificar de mejor manera los comentarios anteriores.

 

 

Figura 5.7. Curva de descarga para un WC con tanque

 

 

 

Figura 5.8. Curvas de descarga para fregaderos de cocina

 

En ambas figuras se dibuja el gasto de descarga contra el tiempo; en el caso de la figura 5.7., que muestra el comportamiento de la descarga del WC, podemos observar que ésta alcanza un valor máximo y a partir de ese punto, se tiene un descenso paulatino del flujo hasta llegar a cero. Lo anterior nos indica que el flujo de arrastre al ser prolongado, permite restablecer el sello sanitario con cierta facilidad.

 

Si revisamos la otra figura 5.8., que corresponde a la descarga de los fregaderos, ésta inicia con un valor máximo que se mantiene durante cierto tiempo, para descender bruscamente a cero; por tanto, el flujo de arrastre es demasiado rápido y breve, y por esta razón en ocasiones se dificulta mantener el sello sanitario en la descarga de este tipo de mueble.

 

5.3.8       REDUCCIÓN DE GASTOS PICO EN BAJANTES Y COLECTORES DEL EDIFICIO

 

Los estudios que se han realizado han mostrado que en los bajantes y los colectores de edificios, se producen reducciones importantes de los gastos pico.

 

Este aplastamiento o reducción del gasto pico es debido, principalmente, al retraso del mismo en el tránsito por las tuberías, así como al fenómeno de almacenamiento que puede darse en los bajantes y colectores. Este efecto ha sido considerado en las tablas de diseño de bajantes y colectores.

 

 

5.4        DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES

 

En esta sección presentaremos los criterios y las ecuaciones básicas utilizadas en la obtención de las tablas de dimensionamiento de las tuberías del sistema de recolección de aguas residuales.

 

El dimensionamiento tanto de las tuberías horizontales como verticales, se realiza mediante tablas, a fin de agilizar dicho dimensionamiento.

 

 

5.4.1       TUBERÍAS HORIZONTALES Y COLECTORES DE EDIFICIOS

 

El sistema de recolección de aguas residuales, como ya se ha mencionado anteriormente, trabaja por gravedad, por tanto, podemos aplicar la hidráulica para canales abiertos en su diseño.

 

Una de las expresiones más utilizadas en el diseño de canales abiertos con flujo permanente es la ecuación de Manning:

 

o bien:

 

donde:

 

V = velocidad de flujo, en m/s

Q = gasto, en m3/s

A = área de flujo, en m2

R = radio hidráulico, en m

S = pendiente de la superficie de flujo, en m/m

n = coeficiente de rugosidad, que depende de la su-

perficie de la tubería, el diámetro de la tubería, etc.

 

El radio hidráulico, es la relación que existe entre el área transversal y el perímetro mojado de la sección de flujo de la tubería. Para condiciones de flujo a tubo lleno y media sección, el radio hidráulico es igual a D/4; por tanto, para la misma pendiente, la velocidad es igual a tubo lleno y a media sección, variando únicamente el gasto, puesto que el área de flujo varía. Se tienen tablas para el cálculo de este tipo de flujo.

 

La velocidad mínima de arrastre en las tuberías debe ser de 0.60 m/s, a fin de evitar depósitos de material suspendido proveniente de las aguas residuales, en las mismas. En las tuberías horizontales, la pendiente controla la velocidad del flujo; es una buena práctica en el diseño de las tuberías horizontales de drenaje mantener la mayor pendiente posible, por lo que mayor será la velocidad, dando como consecuencia una mayor capacidad de arrastre de sedimentos del flujo, lo que contribuye a mantener limpias las líneas de drenaje.

 

Las tuberías deben instalarse alineadas, paralelas a las paredes y con pendientes que aseguren una velocidad mínima de 0.60 m/s. Para mantener la velocidad mencionada, debe utilizarse una pendiente mínima de 2% para tuberías con diámetros menores o iguales a 3"; si las tuberías tienen diámetros mayores a 3" la pendiente utilizada puede ser hasta del 1 %. En los casos en los que por las condiciones del edificio, estas pendientes no puedan utilizarse, las tuberías deberán tener pendientes que permitan una velocidad de 0.60 m/s.

 

Las tuberías deben seguir trayectorias que eviten su paso cerca de equipos o instalaciones susceptibles de ser contaminadas por filtraciones de las mismas; asimismo, los cambios de dirección y conexiones entre tuberías deben realizarse con piezas especiales que no produzcan pérdidas excesivas de la energía y, consecuentemente de la velocidad, por lo que deben evitarse los codos de 90°, prefiriéndose piezas especiales tales como los codos de 45°, las yees, etc. Además de realizarse las conexiones de tuberías a 45°, las que se efectúan entre las ramificaciones o drenajes horizontales o bajantes con los colectores del edificio deben ser en la mitad superior de la tubería del colector, en la sección donde no se tiene flujo, con objeto de evitar, retrocesos en el flujo de las aguas residuales, principalmente. (Véase la figura 5.9.)

 

Figura 5.9. Conexiones entre ramificaciones de drenaje o bajantes y colectores del edificio

 

Este tipo de conexiones nos da varias ventajas; entre ellas

 

a) La reducción de obstrucciones que podrían ocurrir en las ramificaciones horizontales;

b) Producen menor interferencia de flujo comparada con la que se obtendría si esta conexión se realizara de manera horizontal;

c) Permiten un mejor flujo de aire en el colector del edificio, como resultado de la reducción de las interferencias de flujo; y

 

d) Durante los períodos en los que una o más ramificaciones horizontales no fluyen hacia el bajante, su sección transversal está disponible para absorber sobrepresiones, provenientes del colector del edificio.

 

Asimismo, deben instalarse registros de limpieza, de tal manera que las obstrucciones puedan ser eliminadas sin necesidad de desmantelar o romper las tuberías. El diámetro del registro de limpieza debe ser igual al diámetro de la tubería en la que se instala, siendo el diámetro mínimo de 4".

 

Los registros de limpieza deben colocarse en los siguientes puntos:

 

- En las salidas de aguas residuales del interior del edificio.

- En cada cambio de dirección con giro mayor de 45°.

- En la parte inferior de los bajantes de aguas residuales.

 

 

Se recomiendan distancias máximas de 15 m entre registros de limpieza para diámetros de 4" o menores, y de 30 m para diámetros mayores. Todos los registros de limpieza deben tener facilidad de acceso, así como espacio suficiente alrededor del mismo, para la manipulación de equipo requerido para realizar la eliminación de obstrucciones.

 

A fin de facilitar la selección del diámetro necesario para conducir las aguas residuales en tuberías horizontales, cumpliendo las condiciones de velocidad y flujo por gravedad, se tiene la tabla 5.2., que muestra el número máximo de unidades de descarga que puede conducir cada diámetro de tubería.

 

Tabla 5.2. Tabla para la selección de tuberías horizontales de drenaje en función de la unidades de descarga2[2]

 

Diámetro de tuberías (pulgadas)

Número máximo de unidades de descarga que pueden conectarse a tuberías horizontales de drenaje

Pendiente

0.5% 1% 2% 4%

2 21 26

2 1/2 24 31

3 20* 27* 36*

4 180 216 250

5 390 480 575

6 700 840 1000

8 1400 1600 1920 2300

2[2] Tabla modificada de Manas Vincent T., "National Plumbing Code Handbook: Standards and Design lnformation, McGraw Hill, 1957, Tabla 11.5.2. "Buildings Drains and Sewers", pp. 11-11. y Merritt FrederickS., "Building Engineering and Systems Design", VanNostrand Reinhold Company, 1979, Tabla 9.7. "Maximum permisible loads for sanitary drainage pipes, fixture units", p. 361.

10 2500 2900 3500 420012 3900 4600 5600 670015 7000 8300 10000 12000

*No deben conectarse más de 2 WC.

 

La tabla 5.2. muestra en su lado izquierdo los diversos diámetros comerciales disponibles y en su parte superior las distintas pendientes que pueden utilizarse; en el interior de la tabla, el número máximo de unidades de descarga que puede conducir cada diámetro de tubería en función de la pendiente que se utilice.

 

 

5.4.2       TUBERÍAS VERTICALES O BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES

 

Bajante es un término general para las tuberías verticales que pueden conducir aguas residuales, llámense jabonosas o negras; aire, cuando se trata de ventilación, y sirve a los muebles sanitarios de dos o más niveles de un edificio. En esta sección trataremos sobre los bajantes de aguas residuales.

 

Este tipo de bajantes debe ser diseñado para trabajar a un valor máximo de un tercio de su capacidad total o las fluctuaciones en las presiones del sistema podrían exceder de 2.5 cm de columna de agua, con el posible desalojo de los sellos de agua.

 

Como ya se ha mencionado antes, el flujo en un bajante de aguas residuales varía de acuerdo con el gasto que ingresa al mismo. Para pequeños volúmenes de agua, el flujo prácticamente escurre en la pared interior de la tubería del bajante; con el incremento del flujo, esta adherencia a la pared del bajante continúa hasta el punto en donde la resistencia del aire, origina un desprendimiento temporal del mismo, por lo que se forma un bloque que al descender llena el bajante hasta que el incremento en la presión ejercida por el aire lo rompe, por lo que el flujo se adhiere a la pared del bajante o cae en la parte central del mismo, en cortas distancias. Este fenómeno ocurre cuando el bajante fluye a un cuarto o un tercio de su capacidad total.

 

Conforme se incremento el gasto, la formación de bloques de agua se hace más frecuente y persistente, y si el bajante es de corta longitud, dicho bloque podría no ser disgregado; lo anterior, ocasiona oscilaciones erráticas de la presión en el sistema de recolección de aguas residuales.

 

La lámina de agua, que es afectada por la fuerza de la gravedad y por el efecto de fricción de la pared del bajante, es acelerada hasta alcanzar una velocidad en la que se equilibran las fuerzas anteriores, siempre y cuando la distancia recorrida sea lo suficientemente larga. La velocidad que alcanza cuando se llega al equilibrio de las fuerzas de gravedad y de fricción, se conoce como velocidad terminal; la longitud en la que se alcanza se le designa como longitud terminal.

 

Para obtener una expresión que nos proporcione la velocidad terminal, analizaremos una masa de agua que cae, tratándola como un cuerpo sólido que desciende y que a la vez que es acelerado por la fuerza de gravedad, su descenso es retardado por la fuerza cortante de las paredes de la tubería del bajante.

 

Se parte de la siguiente ecuación diferencial que se basa en la 2ª ley de Newton (F=ma); por tanto:

 

 

donde:

 

L = longitud del anillo de agua que desciende

d1 = diámetro interno de la tubería del bajante

0 = esfuerzo cortante por unidad de área

g = aceleración de la gravedad

v = velocidad promedio de caída para cualquier distancia Δz

t = tiempo

m = masa de agua Q1 que pasa en la sección dada en el tiempo t con , densidad del agua y Q1, y gasto de agua que desciende.

 

Sustituyendo para m en la ecuación anterior y definiendo 0 en términos del coeficiente adimensional y de la velocidad v, obtenemos:

 

 

Considerando que la velocidad terminal vt se presenta cuando las fuerzas de gravedad y de fricción se equilibran, esto es, cuando dv/dt=0, se llega a:

 

Experimentalmente, se ha obtenido que el valor de es el siguiente:

 

 

donde ks es el factor de rugosidad de arena, que es la distancia entre granos de arena, de un tamaño en particular, que de colocarse en una superficie, ofrecerían la misma resistencia a la fricción que dicha superficie, y T es el espesor de la lámina de agua con velocidad v.

 

Introduciendo la rugosidad de arena ks en la expresión de vt,se llega a:

 

Despreciando el espesor de la lámina de agua donde existe la velocidad terminal, así como los términos de segundo orden, se llega a la siguiente expresión:

 

 

con vt, en m/s; g, en m/s2; ks, en mm; Q1, en lps y d1, en mm.

 

Uno de los materiales más utilizados en las tuberías de bajantes, es el fierro fundido; obtendremos una expresión para la velocidad terminal en este tipo de tubería sustituyendo el valor de ks=O.25298 mm, que corresponde a este material. Tenemos:

 

 

con vt, en m/s; Q1, en lps y d1, en mm. O bien:

 

 

con vt, en m/s; Q1, en lps y d1, en pulgadas.

 

Con base en la expresión anterior, para tuberías de fierro fundido, podemos trazar la figura 5.1O., que muestra los distintos valores de vt, para diversos valores de Q1/d1.Esta figura se considera adecuada para calcular las velocidades terminales en bajantes de aguas residuales que fluyen parcialmente llenos.

 

Otro valor de interés, es la distancia que debe caer la lámina de agua para alcanzar la velocidad terminal; este valor se conoce como longitud terminal.

 

Partimos de la siguiente ecuación:

 

 

donde dz es la distancia recorrida por la lámina de agua que cae a partir del punto de ingreso.

 

 

 

Figura 5.10. Velocidad terminal para bajantes de aguas residuales con tubería parcialmente llena

 

Sustituyendo el valor de dv/dt, obtenido anteriormente, se llega a:

 

 

Si integramos la expresión anterior, obtendremos un valor infinito para la longitud terminal, Lt' Esto es debido a que la velocidad se acerca asintóticamente al valor de la velocidad

terminal, y como consecuencia, la longitud terminal se obtiene en el infinito. A fin de obtener una longitud terminal, aceptamos una velocidad terminal efectiva que corresponde al 99% de la velocidad terminal real, evitando de esta manera que la longitud terminal llegue al infinito. La expresión para la obtención de la longitud terminal es la siguiente:

 

 

con Lt, en m, y vt, en m/s.

 

La figura 5.1l., muestra la longitud terminal para distintas velocidades terminales.

 

Ambas figuras, nos dan una aproximación suficiente para el cálculo de la longitud y la velocidad terminales, en bajantes de aguas residuales.

 

Figura 5.11. Longitud terminal para bajantes de aguas residuales con tubería parcialmente llena

 

 

El cálculo del diámetro de un bajante de aguas residuales puede ser muy complejo, debido a la existencia de flujos en los que interactúan el agua y el aire. Con objeto de simplificar dicho cálculo, se utilizan tablas que están en función de las unidades de descarga y del ingreso de flujos horizontales en cada sección de bajante, por lo que definiremos algunos términos que se requieren en el manejo de las mismas.

 

El término de sección de bajante, se define como aquella parte del bajante de aguas residuales, que tiene una longitud mínima de 2.45 m, entre conexiones de tuberías horizontales. Es importante limitar el número de unidades de descarga que pueden tenerse por cada sección de bajante, a fin de evitar que el área transversal del bajante sea llenada, con las consiguientes variaciones en la presión. La figura 5.12. ilustra esta definición.

 

Figura 5.12. Sección de bajante

 

 

En relación con las conexiones horizontales que se realicen en el bajante de aguas residuales, éstas deben evitarse en los cambios de dirección del mismo; y si la conexión es inevitable, ésta puede realizarse a una distancia igual a 10 diámetros del bajante hacia aguas abajo, a fin de evitar conflictos en la sección en la que se presenta el salto hidráulico. Si la desviación del bajante lo permite, se recomienda realizar la conexión, una vez que éste ya ha sido colocado en forma vertical, 0.60 m por debajo del cambio de dirección, a fin de evitar zonas que estén sujetas a presiones excesivas. La figura 5.13, ilustra estas recomendaciones.

 

Figura 5.13. Recomendaciones en las conexiones al bajante de aguas residuales

 

 

La tabla 5.3 . se utiliza para la selección de diámetros de los bajantes de aguas residuales.

 

Podemos definir en ella, tres secciones: la primera sección, que la forma la primera columna, y proporciona el diámetro del bajante de aguas residuales; la segunda sección, formada por la segunda y tercera columnas, que se utiliza para la selección de bajantes de aguas residuales que tienen una altura máxima de tres niveles o tienen tres conexiones de ramificaciones horizontales; y la tercera sección, formada por la cuarta y quinta columnas, utilizada para el cálculo de los bajantes que tienen longitudes mayores a los tres niveles.

 

Tabla 5.3. Tabla para la selección de bajantes en función de las unidades de descarga3[3]

 

Diámetro de tuberías (pulgadas)

Número máximo de unidades de descarga que pueden conectarse a:

Ramificaciones horizontales*

Bajantes de un máximo de tres niveles

o intersecciones

Para más de tres niveles o intervalos:

Total por bajanteTotal en una sección del

bajante

1 1/4 1 2 2 1

1 1/2 3 4 8 2

2 6 10 24 6

2 1/2 12 20 42 9

3 20** 30*** 60*** 16**

4 160 240 500 90

5 360 540 1100 200

6 620 960 1900 350

8 1400 2200 3600 600

10 2500 3800 5600 1000

12 3900 6000 8400 1500

15 7000

 

**No deben conectarse más de 2 WC.

***No deben conectarse más de 6 WC.

 

 

Por tanto, para obtener el diámetro de la tubería del bajante de aguas residuales que desaloja cierto número de unidades de descarga, debemos seleccionar este valor o el inmediato superior, en las columnas tercera o cuarta, según sea la longitud del bajante de aguas residuales que se requiere diseñar. Una vez definido este valor, debemos verificar que las ramificaciones horizontales no excedan los valores máximos de unidades de descarga establecidas; en caso de que esto suceda, se tomará el diámetro inmediato superior como el adecuado para el bajante.

 

3[3] Tabla modificada de Manas Vincent T., "National Plumbing Code Handbook: Standards and Design Information", McGraw Hill, 1957, Tabla 11.5.3. "Horizontal fixture branches and stacks ", pp. 11 - 11.

Asimismo, para bajantes de aguas residuales con diámetros de 3 pulgadas, debemos verificar que no se exceda el número máximo de descargas de los WC, que indica la tabla 5.3.

 

5.5        SISTEMAS DE VENTILACIÓN

 

Si a los bajantes de recolección de aguas residuales, así como a las distintas ramificaciones horizontales, no se les suministra un flujo continuo de aire pudiesen originarse, como ya hemos mencionado, variaciones de presión en las tuberías, que desalojarían los sellos de agua en los sifones; asimismo, podrían acumularse gases, dañinos a la salud, en bajantes y ramificaciones. Por tanto, deben utilizarse tuberías de ventilación que suministren aire del exterior a la presión atmosférica, conectándose a los bajantes y ramificaciones de recolección de las aguas residuales, a fin de evitar los problemas anteriores. A continuación, describiremos los tipos y componentes de un sistema de ventilación, y posteriormente, se darán las indicaciones para realizar su dimensionamiento y características de instalación.

 

5.6        TIPOS Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN

 

Se tienen varios tipos y componentes del sistema de ventilación para proteger los sellos sanitarios del sifonaje y las variaciones indeseadas de presión. Mencionaremos algunos de ellos:

 

La ventilación principal es el suministro más importante de aire del sistema de ventilación; ésta suministra aire a los bajantes de ventilación y a sus ramificaciones, las cuales lo conducen hasta las ventilaciones individuales y las tuberías horizontales de aguas residuales.

 

Cada edificio debe tener al menos un bajante de ventilación; éste debe extenderse, sin reducción de su diámetro, en toda su longitud desde la azotea del edificio, hasta su parte más baja. Generalmente, el bajante de ventilación forma parte de la ventilación principal y es fundamental para lograr una circulación adecuada de aire en todo el sistema de

recolección de aguas residuales. La función principal del bajante de ventilación es suministrar aire al bajante de aguas residuales, ya que al producirse descargas en éste, el aire es arrastrado en el descenso de las mismas, por lo que se hace necesario el ingreso de aire del exterior, a fin de evitar variaciones bruscas en la presión del bajante, lo que podría originar el desalojo de los sellos sanitarios.

 

Cada bajante de aguas residuales debe estar acompañado de un bajante de ventilación; la localización más efectiva de la conexión del bajante de ventilación al bajante de aguas residuales, es por debajo de todas las conexiones de ramificaciones de aguas residuales, preferentemente en la parte superior de dichas ramificaciones, lo más cerca posible de la base del bajante de aguas residuales. En la figura 5.14., podemos ver varios métodos de conexión entre bajantes de ventilación y bajantes de aguas residuales.

 

Figura 5.14. Conexiones de bajantes de ventilación

 

 

Una ventilación del bajante, es una extensión de la tubería del bajante de aguas residuales por encima de la ramificación horizontal más alta conectada al mismo, y que termina por encima de la azotea del edificio.

 

 

La figura 5.15 . muestra la diferencia entre un bajante de ventilación y una ventilación de bajante.

 

 

Figura 5.15. Ventilación de bajante y bajante de ventilación

 

 

Un grupo de muebles sanitarios, sean de un baño, de una cocina o cualquier otra combinación, que esté ubicado en el último nivel del edificio, puede ser instalado sin ventilación individual, si el drenaje de cada mueble sanitario es conectado de manera independiente al bajante de aguas residuales y las descargas del WC y de la tina están al mismo nivel. En este caso, todos los muebles sanitarios son ventilados a través de la ventilación del bajante; cualquier otra condición distinta de la mencionada, requiere la utilización de ventilaciones individuales.

 

Una ventilación individual es una tubería instalada para ventilar el sello sanitario de un mueble conectándolo con el sistema de ventilación, generalmente un bajante, por encima de la salida de los muebles servidos; la apertura de ventilación del mueble sanitario debe ser localizada por encima de la parte más baja del final de la descarga en el sello sanitario. Para garantizar una ventilación apropiada, se han establecido longitudes máximas de las tuberías de ventilación que varían entre 0.75 m para diámetros de 1 1/4" hasta 3m para diámetros de 4".

 

A fin de reducir las longitudes de tubería utilizada, dos muebles sanitarios pueden ser colocados, espalda con espalda, en lados opuestos de la pared, y suministrarles aire con una sola tubería; este tipo de ventilación se conoce como ventilación común. En estos casos, los muebles deben descargar de manera independiente, con entradas al mismo nivel.

 

Una ramificación de ventilación es una tubería que es utilizada para conectar una o más ventilaciones individuales al bajante de ventilación o a la ventilación del bajante.

 

Una ventilación húmeda es una tubería que sirve tanto como tubería de drenaje de aguas residuales, como de tubería de ventilación, siempre y cuando se trate de muebles sanitarios distintos del WC y por lo tanto, solo permite el desalojo de pequeñas cantidades de unidades de descarga. Este tipo de ventilación reduce la longitud de tubería requerida para ventilación individual. Para poder utilizar este tipo de ventilación debemos cumplir con las siguientes condiciones:

 

Para el último nivel de un edificio:

 

1. No más de una unidad de descarga es conducida en diámetros de ventilación húmeda de 1 1/2" y no más de cuatro unidades de descarga en diámetros de ventilación húmeda de 2".

2. La longitud del drenaje no debe exceder la distancia permisible máxima entre el sello sanitario y la ventilación.

3. Las conexiones de las ramificaciones de aguas residuales al bajante de aguas residuales deben estar al mismo nivel o por debajo de las descargas de WC. Véase la fig ura 5.16 .

 

 

Figura 5.16. Ventilación húmeda en el último nivel de edificios

 

Para niveles inferiores del edificio:

 

Las reglas son similares a las anteriores, con excepción de que los WC deben ser ventilados y el diámetro mínimo de la ventilación húmeda es de 2". En los casos en que los WC están conectados directamente a la ventilación húmeda en la mitad superior de su descarga, con un ángulo no mayor de 45o, no requieren ser ventilados de manera individual. Véase la figura 5.1 7 .

 

 

 

Figura 5.1 7. Ventilación húmeda para entrepisos de edificios

 

Cuando existen grupos de muebles sanitarios similares instalados en batería, que descargan en una ramificación de la red de recolección de aguas residuales, es común ventilarlos mediante circuitos o anillos de ventilación.

 

El circuito de ventilación es una ramificación de la tubería de ventilación que sirve a dos o más muebles sanitarios, y que va de éstos hasta conectarse con el bajante de ventilación.

 

Un anillo de ventilación es similar al circuito pero, en lugar de conectarse al bajante de ventilación, se conecta a la ventilación del bajante; este tipo de ventilación se utiliza únicamente en el último nivel del edificio, puesto que si se utilizara en otros niveles, podría ocurrir que al momento de producirse descargas en los niveles superiores al sitio donde se encuentra instalado el anillo de ventilación, el flujo de aire del exterior fuera reducido, debido a la presencia de flujos de aguas residuales. En las figuras 5 . 18 ., 5. 19 . y 5. 20 . pueden verse estos tipos de ventilación.

Figura 5.18. Circuito y anillo de ventilación

 

 

Figura 5.19. Circuito de ventilación en una batería de muebles sanitarios

 

 

 

 

Figura 5.20. Anillo de ventilación en una batería de muebles sanitarios

 

 

 

Podemos combinar los anillos y circuitos, así como la ventilación común, para garantizar el flujo de aire de manera continua en baterías de muebles sanitarios; una combinación de este tipo se muestra en la figura 5 .21 .

 

 

Figura 5.21. Batería de ventilación en la que se utiliza ventilación común

 

 

Las presiones en el drenaje y en los bajantes de ventilación de un edificio de varios niveles, presentan fluctuaciones constantemente. El suministro de aire del exterior a través de las conexiones de los bajantes de ventilación en la base de los bajantes de aguas residuales y en las ramificaciones horizontales de drenaje no puede, en algunas ocasiones eliminar estas fluctuaciones, por lo que se hace necesario la utilización de ventilación de alivio.

 

Estas fluctuaciones son debidas principalmente a la descarga simultánea de los drenajes de los distintos entrepisos del edificio. Por tanto, la utilización de la ventilación de alivio es necesaria para el suministro de aire en sitios congestionados donde se tiende al desarrollo de obstrucciones, previniendo variaciones excesivas de presión que podrían causar sifonaje en los sellos sanitarios de muebles sanitarios cercanos a los puntos en los que se generan éstas. Los sitios en los que generalmente se utiliza este tipo de ventilación son los siguientes:

 

a) Cuando el flujo de aguas residuales en un bajante tiene una desviación con un ángulo de 90°, generalmente en la base del mismo, se tiene una tendencia a la disminución de la velocidad del flujo, en su cambio de dirección vertical a dirección horizontal; lo anterior, permite el desarrollo de un salto hidráulico, con la consiguiente obstrucción

del paso de aire, por lo que la presión se incremento en los sitios cercanos al cambio de dirección, haciendo necesaria un ventilación de alivio. (Véanse las figuras 5.22. y 5.23.)

 

b) Cuando el agua fluye de manera horizontal y es desviada verticalmente o con ángulos mayores a 45°, se produce una aceleración de la misma originando con esto una presión negativa que origina sifonaje en los muebles sanitarios cercanos a la desviación. En este caso, se recomienda la utilización de ventilaciones de alivio. (Figur a 5.22 .)

 

 

 

Figura 5.22. Ventilación de alivio en cambios de dirección del bajante de aguas residuales

 

 

c) En edificios altos, se recomienda que cada 10 niveles o 10 conexiones de descargas horizontales, contados a partir del nivel más alto, sea utilizada una ventilación de alivio; la parte más baja de ésta, debe conectarse al bajante de aguas residuales por debajo de la descarga horizontal de aguas residuales y, la parte superior debe conectarse al bajante de ventilación al menos 0.90 m por debajo del nivel del entrepiso. El diámetro de la ventilación de alivio debe ser igual al que resulte menor, entre el bajante de aguas residuales y el bajante de ventilación. Véase la figu ra 5.23 .

 

 

Figura 5.23. Ventilación de alivio en edificios de gran altura

 

 

d) En zonas de acumulación de espumas. El uso de detergentes altamente espumosos en lavadoras crea serios problemas en los edificios residenciales, especialmente los elevados. Cuando el flujo de aguas residuales de los pisos superiores del edificio contiene detergentes, éstos son mezclados vigorosamente con las aguas residuales en el bajante, conforme éstas descienden; estas espumas fluyen hacia abajo en los bajantes y se depositan en las secciones más bajas, así como en ' los cambios de dirección mayores de 45° del sistema de recolección de aguas residuales.

 

 

Las aguas residuales son más pesadas que las espumas y fluyen fácilmente por las tuberías sin arrastrar a éstas con el flujo. En consecuencia, las espumas se acumulan en los sitios mencionados anteriormente, lo que ocasionalmente puede originar obstrucciones en el flujo del aire, con el consiguiente riesgo de sifonaje en los sellos sanitarios; de ahí la conveniencia de utilizar ventilación de alivio en las zonas de acumulación de espumas. La fi gura 5.24 ., muestra las zonas de acumulación de espumas.

 

 

Figura 5.24. Zonas de acumulación de espumas

 

 

Otro componente de los sistemas de ventilación, son los cabezales de ventilación. Estos tienen por objeto evitar los inconvenientes que se presentarían si cada bajante de aguas residuales o de ventilación, tuviera una salida en la azotea para permitir el ingreso de aire del exterior; por tanto, a fin de evitar lo anterior, que daría como resultado dificultades de tránsito en la azotea, malos olores, problemas en la ubicación de las tuberías, etc., se realiza la interconexión de los bajantes mediante tuberías horizontales, que en su extremo final tienen una salida única al exterior, lo que facilita su ubicación, permitiendo por ésta el ingreso de aire del exterior. Véase la figura 5.25.

 

Figura 5.25. Cabezales de ventilación

 

Los cabezales deben ser diseñados de tal manera, que el diámetro utilizado permita la adecuada ventilación de todos los bajantes de aguas residuales, en función de su longitud y del número de unidades de descarga que conducen.

 

Es importante fijar también la distancia máxima que puede existir entre el vertedor de un sello sanitario y la tubería de ventilación más cercana a fin de evitar la pérdida de los mismos. Esta distancia se mide sobre la longitud de desarrollo, entendiéndose por ésta, la Longitud medida en la parte central de la tubería de drenaje, considerando todos los accesorios instalados y siguiendo los cambios de dirección. Véase la figura 5.26.

 

 

Figura 5.26. Distancia máxima entre el vertedor del sello sanitario y la tubería de ventilación

 

 

Esta distancia varía con el tipo de accesorio de conexión entre las tuberías de ventilación y de drenaje, la pendiente de la tubería de drenaje y su diámetro. En términos generales, a mayor pendiente de la tubería de drenaje, se favorece la ocurrencia del autosifonaje, especialmente en los lavabos, por lo que esta distancia aumenta; a fin de evitar lo anterior, se han establecido longitud máximas entre el vertedor de la tubería de drenaje y la tubería de ventilación, que se muestran en la tabla 5.4.

 

Tabla 5.4. Distancia máxima entre el vertedor del sello sanitario y la tubería de ventilación4[4]

 

Diámetro de la tubería de drenaje Distancia máxima entre el vertedor y la ventilación (m)

4[4] Tabla modificada tomada del Harris Cyril M., Handbook of utilities and services for buildings: planning, design and installation ", McGraw Hill, 1990, Tabla 17. l. “Maximum distance of vent from fixture trap”, p. 17.15.

pulg mm

1 1/4” 32 0.75

1 1/2” 38 1.05

2” 50 1.50

3” 75 1.80

4” 100 3.00

 

5.7        FLUJO DEL AIRE EN TUBERÍAS DE VENTILACIÓN

 

En esta sección trataremos algunos de los principios de mecánica de fluidos que son relevantes en el flujo de aire, incluyendo espumas, en tuberías de ventilación. Estos principios se refieren a las propiedades físicas y mecánicas del aire y las espumas y su aplicación en el diseño de sistemas de tuberías de ventilación.

 

Las propiedades físicas y mecánicas del aire incluyen energía estática y cinética, densidad, viscosidad y resistencia a la fricción. Estas propiedades tienen aplicaciones específicas en relación con el flujo de aire en bajantes, ramificaciones y cabezales de ventilación.

 

 

5.7.1       PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE

 

Para cualquier análisis del flujo de aire en tuberías de ventilación, varias de las propiedades físicas son de especial interés, pero especialmente la densidad, la viscosidad y la compresibilidad.

 

La densidad del aire, varía cuando se tienen cambios en la temperatura y el contenido de humedad. El contenido de humedad tiene una influencia insignificante en la densidad del aire, por lo que puede despreciarse en los cálculos del flujo de aire en tuberías de ventilación.

 

Cuando un flujo ocurre, es natural que las características de adhesión y cohesión den como resultado una resistencia interna al flujo; esta resistencia se conoce como viscosidad del fluido. Esta es una propiedad medible que varía ampliamente de un fluido a otro, y en gases, la viscosidad se incremento con la temperatura. El aire puede ser considerado un gas para su análisis en las tuberías de drenaje y ventilación.

 

El aire es perfectamente elástico, esto es, cuando una presión es ejercida el volumen se deforma, y cuando ésta es retirada, el aire regresa a su volumen original. En el sistema de drenaje sanitario, solamente pequeñas variaciones de presión son permitidas, debido a la limitación que existe en los sellos de agua que se conectan a los muebles sanitarios; por tanto, el sistema de ventilación debe ser diseñado para permitir la admisión y expulsión de aire en todas las tuberías, de tal manera, que los sellos de los muebles sanitarios se vean sujetos a variaciones de la presión atmosférica de un máximo de 2.5 cm de columna de agua. Para este cambio de presión tan limitado el correspondiente cambio volumétrico a la presión atmosférica, determinado con base en la ecuación de los gases, es de 1/400 o menos. Por tanto, debido a la limitada variación del volumen de aire en los sistemas de drenaje, las tuberías de ventilación deben ser diseñadas para permitir el flujo libre del aire y sin compresiones del mismo, más que las necesarias para vencer las pérdidas por fricción.

 

En algunas partes del sistema de ventilación, se presenta cierta presión en forma de espumas, que consiste en miles de pequeñas burbujas de aire que se incrustan entre las láminas del líquido como resultado de las descargas de detergentes en las aguas residuales.

 

 

5.7.2       CARGA ESTÁTICA EQUIVALENTE DE AGUA, AIRE Y ESPUMAS

 

En cualquier punto por debajo de la superficie libre del agua en reposo y expuesta a la presión atmosférica, la presión es producida por la columna de agua que gravita sobre dicho punto; ésta es igual en todas las direcciones y directamente proporcional al tirante de agua que gravita sobre el punto mencionado.

 

Esta presión se expresa en términos de la columna de agua que gravita y nos referimos a ella como presión hidrostática. Se expresa como sigue:

 

p = h

 

donde

p = presión hidrostática; = peso específico del agua; y h = altura de la columna de agua.

 

La presión de aire y espumas también puede expresarse en términos de la columna de agua o viceversa.

 

 

5.7.3       CONDICIONES DE FLUJO

 

En tuberías de ventilación, las condiciones de flujo del aire pueden ser en líneas paralelas de corriente o de flujo laminar cuando la velocidad es relativamente baja, tal como la que prevalece cuando circula únicamente el aire por gravedad, a través del sistema de drenaje y ventilación. Sin embargo, las condiciones de flujo del aire, se hacen turbulentas cuando se tienen velocidades relativamente altas en las tuberías de ventilación, lo que ocurre cuando éstas sirven para aliviar las variaciones de presión en el sistema de recolección de aguas residuales.

 

La determinación del tipo de flujo, laminar o turbulento, se realiza aplicando la ecuación de Reynolds:

 

 

donde Re, es el número de Reynolds; V, es la velocidad crítica; D, es el diámetro de la tubería y es la viscosidad cinemática.

 

Con base en la ecuación anterior, y considerando que la velocidad crítica se presenta cuando el Re. es igual a 2,000, podemos obtener esta última, tomando una viscosidad cinemática para una temperatura media de 20 oC.

 

Tenemos, por tanto:

 

 

Considerando una viscosidad cinemática del aire para una temperatura media de 20oC, igual a = 1.51 x 10-5, obtenemos con base en la ecuación anterior las velocidades críticas en tuberías de ventilación, para los diámetros de 1 1/4", 1 1/2", 2", 2 1/2" y 3" de 0.95, 0.79, 0.59, 0.47 y 0.39 m/s, respectivamente. Los valores anteriores dan como resultado flujos de aire de 0.75, 0.90, 1.29, 1.50 y 1.79 l/s, respectivamente.

 

Para espumas, si consideramos una = 2.45 x 10-5, de manera similar obtenemos velocidades críticas para tuberías de ventilación para los diámetros de 1 1/4", 1 1/2", 2", 2 1/2" y 3" de 1.53, 1.27, 0.96, 0.77 y 0.64 m/s, respectivamente, con flujos de espumas de 1.22, 1.45, 1.94, 2.42 y 2.90 l/s, respectivamente.

 

 

5.7.4       EFECTOS NEUMÁTICOS EN EL DISEÑO DE SISTEMAS DE VENTILACIÓN

 

Cuando el agua fluye en contacto con el aire en un drenaje vertical u horizontal, existe una fricción entre el aire y el agua; esto da como resultado que el aire sea arrastrado con el agua, en la misma dirección. Sin embargo, cuando la sección transversal de la tubería es ocupada totalmente debido a un incremento brusco en el tirante del agua, por un cambio de dirección o por el ingreso de aguas residuales, el área disponible para el flujo de aire se ve reducida considerablemente. Este efecto de disminución del área da como resultado una obstrucción temporal al flujo de aire en tales puntos.

 

Sin embargo, si el aire es arrastrado por el agua hacia una zona donde existe una obstrucción temporal del flujo, éste es acumulado en un volumen reducido del drenaje con el consecuente incremento de la presión. Altas presiones se presentan en los puntos de restricción del flujo de aire, disminuyendo conforme se alejan de los mismos.

 

Consecuentemente, podemos esperar elevaciones de la presión en las partes bajas de un sistema de drenaje, debido a la presencia de saltos hidráulicos en esas zonas. Así, los sellos sanitarios de los muebles instalados en estas zonas pueden estar sujetos a altas presiones, dando como resultado el desalojo de los mismos presentándose, en algunos casos, el ingreso de las aguas residuales al interior del edificio. Asimismo, en las secciones superiores del sistema de drenaje, debido al arrastre del aire, podrían presentarse efectos de succión, que también originarían el rompimiento de los sellos sanitarios.

 

Todo el aire que es arrastrado a lo largo del sistema de recolección de aguas residuales es tomado de las secciones superiores del mismo; por tanto, se hace necesario suministrarlo a medida que éste es arrastrado, a fin de evitar efectos indeseados.

 

Los criterios de diseño para un sistema de tuberías de ventilación de un sistema de recolección de aguas residuales deben relacionarse con el esfuerzo o la resistencia de todos los sellos sanitarios conectados al sistema. Los sellos de los muebles sanitarios son los puntos más débiles del sistema, debido a que solamente tienen una altura de 5 cm. Teniendo en cuenta este factor limitante, es recomendable que se establezca un criterio de diseño del sistema de ventilación, que puede anunciarse como sigue: "el sistema de ventilación deberá permitir una adecuada circulación del aire en todas las tuberías, así como la admisión y expulsión del mismo, de tal manera que los sellos sanitarios del sistema de drenaje estén sujetos a una presión diferencial máxima de 2.5 cm de columna de agua".

 

 

5.7.5       GASTO A TRAVÉS DE TUBERÍAS

El gasto a través de tuberías puede ser calculado utilizando la ecuación de continuidad, que relaciona el área de la sección transversal y la velocidad de flujo en el punto analizado. Esta relación se expresa como:

 

Q = VA

 

donde Q, es el gasto en m3/s; V, es la velocidad del flujo en m/s; y A, es el área transversal de la sección en m2.

 

Sin embargo, es común expresar el gasto en l/s, y el diámetro de las tuberías en mm; por tanto la expresión quedaría:

 

Q = 7.854 x l 0-4d2V

 

donde Q, es el gasto en l/s; V, es la velocidad del flujo en m/s; y d, es el diámetro de la sección transversal de la tubería en mm.

 

 

5.7.6       GASTO DE AIRE Y ESPUMAS

 

La velocidad a la que el flujo del aire ingresa a partir de la atmósfera, es función de su energía total disponible en la tubería de ventilación. La energía total es la suma de las energías potencial y cinética del aire en movimiento.

 

La energía potencial, que es la presión o la carga ejercida por el flujo de aire contra la pared interior de la tubería de ventilación, se conoce como presión de flujo.

 

En la práctica, la cantidad de energía cinética, o carga de velocidad, en la tubería de ventilación durante el flujo es muy pequeña y se considera despreciable en relación con la presión de flujo. Por tanto, el ingreso máximo de aire en una tubería de ventilación, puede

determinarse con base en la presión de flujo en la tubería de ventilación y el diámetro de la tubería de ingreso de aire.

 

El gasto máximo de aire que puede ingresar de una toma de aire a partir de la atmósfera, puede expresarse como sigue:

 

qd = Cd qi

 

donde qd es el gasto de ingreso, en l/s; qi es el gasto ideal de ingreso en l/s; y Cd es el coeficiente de descarga para la tubería de ingreso.

 

Sustituyendo el valor de q1 = 7.854 x 10-4 d2 V, obtenemos:

 

 

Considerando que g= 9.81 m/s y que el valor de Cd = 0.67, se llega:

 

 

donde hm, es la carga medida en la tubería de ventilación, en columna de aire; y d, es el diámetro de la tubería de ventilación.

 

Por condiciones de diseño, la presión diferencial máxima, expresada en columna de agua, es de 2.5 cm, por tanto, debemos expresar esta altura de columna de agua en altura de columna de aire. Así, sin consideramos que a una temperatura de 20oC a nivel del mar, se tienen los siguientes pesos específicos: para el agua agua= 998 kg /m3 y para el aire aire = 1.2 kg /m3 con base en la siguiente expresión:

p= agua hagua= aire haire

Operando, obtenemos:

 

Finalmente, de la expresión anterior obtenemos que una columna de agua de 2.5 cm es equivalente a una columna de aire de 20.8 m.

 

Sustituyendo en la expresión del gasto, obtenemos:

 

 

De manera similar podemos obtener una expresión para los gastos de espumas, considerando la expresión inicial del gasto y un peso específico de espumas espuma= 22.5 kg/m3. Lo anterior, nos proporciona una altura de columna de espumas de 1.11 m, por lo que sustituyendo, se llega:

 

 

Analizando las dos expresiones anteriores de descargas podemos concluir, que el gasto de espumas es 23.1 % menor que el gasto de aire.

 

 

5.7.7       PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEBIDAS A LA FRICCIÓN EN TUBERÍAS

 

Cuando el aire fluye a través de las tuberías de ventilación para aliviar la presión del aire, producto del flujo de aguas residuales en las tuberías de drenaje, ocurre una pérdida continua de presión en las tuberías, en la dirección del flujo. Esta pérdida es debida a la fricción generada entre el aire en movimiento y la superficie interior de la tubería de ventilación, debido a que existen condiciones de flujo turbulento.

 

Estas pérdidas de presión, dependen de diversos factores tales como las propiedades físicas del aire, como su densidad y temperatura; la rugosidad interior de la pared de la tubería de ventilación; la longitud y el diámetro de la tubería; la velocidad de flujo del aire en la tubería; etc.

 

La fórmula de Darcy-Weisbach puede ser utilizada para calcular las pérdidas de fricción debidas al flujo de aire en las tuberías de ventilación. La ecuación es la siguiente:

 

 

donde hf es la pérdida de carga debida a la fricción, en m; f es el coeficiente de fricción que corresponde a la rugosidad y al diámetro de la tubería, es adimensional; L es la longitud de la tubería, en m; D es el diámetro de la tubería, en m; V es la velocidad del flujo, en m/s; y g es la aceleración de la gravedad, en m/s2.

 

 

5.7.8       LONGITUD PERMISIBLE DE LAS TUBERÍAS DE VENTILACIÓN

 

Combinando la ecuación de Darcy-Weisbach y la expresión del gasto en tuberías, podemos obtener la longitud permisible de las tuberías de ventilación. Tenemos:

 

y

 

Sustituyendo la segunda expresión en la primera y operando, obtenemos:

 

Finalmente:

 

 

donde hf, se expresa en m; f, es adimensional; L, en m; Q, en l/s; d, en mm.

 

Despejando para la longitud de la tubería L, se obtiene:

 

 

 

Sustituyendo en la expresión anterior, los valores máximos permisibles de variación máxima permisible en columna de aire y en columna de espumas, que son 20.8 m y 1.11 m, respectivamente, obtenemos:

 

 

que es la longitud máxima de tubería para flujo de aire; y

 

 

que es la longitud máxima de tubería para flujo de espumas.

 

De las expresiones anteriores, podemos observar que la longitud máxima de tubería en flujo de espumas es menor en 5.32% en relación con la longitud máxima de tubería en flujo de aire.

 

La longitud máxima permisible de tubería se entiende como la longitud de una tubería en línea recta sin accesorios, por tanto, puesto que los accesorios producen pérdidas de energía adicionales, en caso de existir éstos en una tubería de ventilación deberán considerarse las pérdidas de energía adicionales que producen; un método es utilizar la longitud equivalente de los accesorios.

 

Asimismo, el factor adimensional f está asociado con la rugosidad de la superficie de la tubería, así como al diámetro de la misma.

 

Existen tablas que proporcionan los valores anteriores, tanto de longitudes equivalentes como de f, así como los criterios que se siguieron en su determinación.

 

5.7.9       FLUJO DE AIRE EN BAJANTES DE VENTILACIÓN Y EN VENTILACIÓN INDIVIDUAL

 

Hemos mencionado anteriormente, que al descender las aguas residuales por los bajantes, éstas arrastran el aire que se encuentra en la parte central de los mismos. En consecuencia, a fin de evitar los problemas de desalojo de los sellos sanitarios, es necesario suministrar flujos de aire, en la medida que éste es arrastrado, a través de los bajantes de ventilación. Por lo general, para bajantes, el agua residual ocupa 6/24 y 7/24 de la sección transversal del mismo; el resto de la sección transversal es ocupada por aire.

 

En el caso de la ventilación individual ocurren grandes variaciones en los requerimientos de flujos de aire. Estos requerimientos están directamente relacionados con la cantidad de aire requerida, en la tubería de drenaje para la ramificación, en la que se produce una descarga de un mueble sanitario. Los requerimientos de aire son máximos, cuando el agua residual ocupa la mitad de la sección transversal y, consecuentemente, el aire la otra mitad; por tanto, para este caso crítico se han hecho las estimaciones de las demanda de aire.

 

Presentamos la tabla 5.5., que considera los requerimientos de aire, para bajantes así como para tuberías horizontales de drenaje.

 

Tabla 5.5. Requerimientos de aire en bajantes y tuberías horizontales de ventilación5[5]

 

Diámetro del bajante o de la tubería horizontal

de drenaje (pulg)

Flujo de aire requerido en bajantes de aguas residuales, con velocidad terminal, para distintas

áreas de ocupación

(Ips)

Flujo de aire requerido en tuberías horizontales de ventilación

(Ips)

6/24 7/24 Pendiente (%) Gasto

1 1/4 0.95 1.06 4 0.35

1 1/2 1.53 1.56 4 0.52

2 3.31 3.46 2 0.61

2 1/2 6.02 6.30 2 1.11

3 9.84 10.3 2 1.80

4 21.0 22.0 2 3.60

5 38.2 39.9 2 6.09

6 63.6 67.2 -- --

8 134.2 140.0 -- --

 

5.7.10  APLICACIÓN DE LOS PRINCIPIOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS EN EL DISEÑO DE TUBERÍAS DE VENTILACIÓN

 

La longitud máxima de bajantes de ventilación, con cierto diámetro para la conducción de una cantidad definida de flujo de aire, se calcula con la ecuación que ya hemos mostrado:

 

 

5[5] Tabla modificada tomada del Harris Cyril M. , "Handbook of utilities and services for buildings: planning, design and installation", McGraw Hill, 1990, Tabla 17.8. "Computed airflow capacity required by attendant vent stacks", y Tabla 17.9. “Computed airflow rates required for venting horizontal sanitary drains flowing hall full”. pp. 17.37- 17.38.

La longitud total que proporciona la ecuación anterior, debe entenderse como la suma de la longitud de desarrollo del bajante de ventilación, medido desde su conexión al bajante de aguas residuales hasta su salida a la atmósfera en la azotea, más la longitud total equivalente de accesorios y piezas especiales existentes en su recorrido.

 

En general, se ha observado que la longitud equivalente de accesorios, en bajantes de ventilación de edificios de varios niveles, es de aproximadamente el 50% de la longitud de desarrollo del bajante de ventilación. Por tanto, puede considerarse que la longitud de desarrollo máxima permisible del bajante de ventilación es de dos tercios de su la longitud total calculada.

 

A fin de facilitar los cálculos de las tuberías del sistema de ventilación, se han elaborado tablas, que se muestran en el siguiente inciso, para determinar los diámetros de las mismas en función del número de unidades de descarga que conducen y su longitud de desarrollo máxima.

 

Es importante aclarar que, las longitudes máximas permisibles de las tuberías de ventilación proporcionadas por las tablas mencionadas en el párrafo anterior, son sensiblemente menores que las obtenidas por el cálculo directo, mediante las ecuaciones mostradas anteriormente; asimismo, las tablas fueron calculadas para flujos de aire, por tanto, en el caso de las espumas, las longitudes proporcionadas por las tablas podrían ser mayores en cerca de un 5%.

 

 

5.8        DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN

 

El dimensionamiento de las tuberías del sistema de ventilación se realiza mediante la utilización de tablas, que han sido obtenidas con base en el cálculo de la cantidad de aire arrastrada por las tuberías de drenaje y diversas pruebas de laboratorio.

 

Se tienen dos tablas básicas: la tabla 5. 6 ., que se utiliza para determinar el diámetro y la longitud máxima de ventilación de bajantes y de cabezales; la tabla 5 .7 ., que es usada para el establecimiento de los diámetros y longitudes máximas en circuitos y anillos de ventilación. A continuación presentaremos cada una de ellas, y describiremos la forma en que se utilizan.

 

En relación con la tabla 5.6., ésta es utilizada para el dimensionamiento de los bajantes de ventilación y también, de los cabezales de ventilación. La tabla 5.6., "Diámetro y longitud de ventilación en bajantes y cabezales", se utiliza como se indica a continuación:

 

a)Determinación del diámetro de la tubería del bajante de ventilación:

 

1. En la primera columna se selecciona el diámetro del bajante de aguas residuales que se desea ventilar;

2. En la segunda columna seleccionamos el número de unidades de descarga que están conectados al mismo o si éste no se encuentra en la tabla, el número inmediato superior.

3. En la fila que ha sido definida con los dos pasos anteriores, seleccionamos en el interior de la tabla, la longitud del bajante, o como en el caso anterior, si ésta no se encuentra, el número inmediato superior, para definir una columna.

4. En la columna que ha sido definida, obtendremos el diámetro del bajante de ventilación en la parte superior de la tabla.

 

 

Tabla 5.6. Diámetro y longitud de ventilación en bajantes y cabezales6[6]

 

Diámetro del bajante de

aguas residuales (pulgadas)

Unidades de descarga

conectadas

Diámetro de ventilación requerido

(pulgadas)1 1/4 1 1/2 2 2 1/2 3 4 5 6 8

6[6] Tabla modificada tomada del Manas Vincent T., "National Plumbin Code Handbook: Standards and Design Information, McGraw Hill, Tabla 12.21.5. "Size and length vents", p. 12-49.

Longitud máxima de ventilación, en m

1 1/4 2 9.1

1 1/4 8 15.2 45.7

1 1/2 10 9.1 30.5

2 12 9.1 22.9 60.9

2 20 7.9 15.2 45.7

2 1/2 42 9.1 30.5 91.4

3 10 9.1 30.5 60.9 182.9

3 30 18.3 60.9 152.4

3 60 15.2 24.4 121.9

4 100 10.7 30.5 79.2 304.8

4 200 9.1 27.4 76.2 274.3

4 500 6.1 21.3 54.9 213.4

5 200 10.7 24.4 106.7 304.8

5 500 9.1 21.3 91.4 274.3

5 1100 6.1 15.2 60.9 213.4

6 350 7.6 15.2 60.9 121.9 396.2

6 620 4.6 9.1 38.1 91.4 335.3

6 960 7.3 30.5 76.2 304.8

6 1900 6.1 21.3 60.9 213.4

8 600 15.2 45.7 152.5 396.2

8 1400 12.2 30.5 121.9 365.8

8 2200 9.1 24.4 106.7 335.3

8 3600 7.6 18.3 76.2 243.8

10 1000 22.9 38.1 304.8

10 2500 15.2 30.5 152.4

10 3800 9.1 24.4 106.7

10 5600 7.6 18.3 76.2

 

 

b)Determinación del diámetro de la tubería de cabezales de ventilación:

 

1. En la segunda columna, se selecciona el número de unidades de descarga que es necesario ventilar (o el número inmediato superior), partiendo de arriba hacia abajo, sin tomar en cuenta la primera columna.

2. Una vez seleccionado el número de unidades de descarga en la segunda columna de la tabla, se escoge en el interior de la misma, sobre la fila definida en el paso anterior, la longitud del bajante de ventilación (o la longitud inmediata superior).

3. La longitud del bajante nos define una columna, sobre la que ascendemos, para obtener en la parte superior de la tabla, el diámetro del cabezal de ventilación.

 

 

La tabla 5.7., es utilizada para el dimensionamiento de circuitos y anillos de ventilación. La tabla 5.7., "Diámetro y longitud de circuitos y anillos de ventilación", que se muestra a continuación, se utiliza como sigue.

 

Tabla 5.7. Diámetro y longitud de circuitos y anillos de ventilación7[7]

 

Diámetro de tuberías

(pulgadas)

Número máximo de unidades de

descarga

Diámetro del circuito o anillo de ventilación

(pulgadas)

1 1/2 2 2 1/2 3 4 5

Longitud máxima de ventilación, en m

1 1/2 10 6.10

2 12 4.57 12.19

2 20 3.05 9.14

3 10 6.10 12.19 30.48

3 30 -- 12.19 30.48

3 60 -- 4.88 24.38

4 100 2.13 6.10 15.85 60.96

4 200 1.82 5.49 15.24 54.86

4 500 4.26 10.97 42.67

5 200 4.88 21.34 60.96

5 1100 3.05 12.19 42.67

 

a)Determinación del diámetro de tuberías de anillos y circuitos de ventilación:

 

1. En la primera columna, seleccionamos el diámetro de la tubería de drenaje que se ventilará.

7[7] Tabla modificada tomada del Manas Vincent T. "National Plumbing Code Handbook: Standards and Design Information", McGraw Hill, Tabla A. "Horizontal and loop vent sizing table", p. 12-48.

2. En la segunda columna, seleccionamos el número de unidades de descarga (o el número inmediato superior).

3. En la fila definida con los dos pasos anteriores, seleccionamos en el interior de la tabla, la longitud de la tubería de drenaje (o la longitud inmediata superior), con lo que definimos una columna.

4. Ascendiendo en la columna definida en el paso anterior, obtenemos en la parte superior de la tabla, el diámetro del circuito o del anillo de ventilación.

5. Verificamos que las descargas de todos los muebles sanitarios conectados en batería, cumplan con la distancia mínima entre el vertedor del sello sanitario y la tubería de ventilación; si no cumple con ésta, se hará necesario colocar una tubería auxiliar que una el circuito o anillo de ventilación con la tubería de drenaje, a fin de reducirlas distancias. Generalmente, esta tubería auxiliar se coloca en la parte central de la tubería de drenaje.

 

Con las dos tablas descritas anteriormente, podemos diseñar con seguridad y facilidad, los distintos elementos de un sistema de ventilación.

 

 

5.9        EJEMPLOS DE DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES Y DE VENTILACIÓN

 

A fin de mostrar la utilización de las tablas de selección de diámetros de tuberías de recolección de aguas residuales y de ventilación, resolveremos ejemplos de diseño, en los que se mostrarán el uso de las mismas.

 

EJEMPLO 1.

 

Dimensione el bajante de aguas residuales mostrado en la figura 5 .27 . Se trata de un edificio de 12 niveles, que tiene dos desviaciones: una entre el nivel 5 y el nivel 6 y otra, entre el nivel de calle y el sótano.

 

Figura 5.27. Ejemplo 1. Diseño de bajantes de aguas residuales

 

 

 

Solución:

 

Como primer paso, debemos calcular el número de unidades de descarga que conduce el bajante de aguas residuales; éste conduce del nivel 12 al nivel 6, 400 UD; y de este nivel hasta el sótano, conduce 800 UD adicionales; por tanto, el bajante de aguas residuales conduce en su totalidad 1,200 UD, del nivel 12 al sótano.

Dimensionaremos la sección del bajante por encima de la desviación del nivel 5:

 

Considerando que se trata de un edificio de más de tres niveles y que el bajante de aguas residuales conduce 400 UD, desde la parte superior del edificio hasta el nivel 6, utilizaremos la ta bla 5.3 ., de la que obtenemos de la columna 4, que el diámetro requerido del mismo es de 4".

 

Para la tubería horizontal de drenaje ubicada entre los niveles 5 y 6, con un gasto de 400 UD, de la t abla 5.2 ., en la columna 4, obtenemos un diámetro mínimo de 5" con una pendiente de 2%.

 

Para la siguiente desviación ubicada entre el nivel de la calle y el sótano, el bajante de aguas residuales se diseña con el total de unidades de descarga que conduce, esto es, con 1,200 UD. Por tanto, de la tabla 5.3., en la columna 4, seleccionamos un diámetro de 6", que es capaz de conducir un máximo de UD de 1,900.

 

La tubería horizontal que drena la totalidad del edificio, y que tiene salida hacia la calle, conduce un total de 1200 UD; por tanto, de la tabla 5.2., en la columna 2, seleccionamos un diámetro de 8" con una pendiente de 0.5%. En caso necesario, es posible incrementar la pendiente de la tubería, con lo que se incremento el número de UD que es capaz de conducir el diámetro mencionado.

 

En el caso de tener conexiones a menos de 0.60 m de las desviaciones del bajante de aguas residuales, se hace necesaria la colocación de tuberías de ventilación de alivio, como se muestra en la figura de la página anterior.

 

 

EJEMPLO 2.

 

Con base en la figur a 5. 28 , dimensione los siguientes elementos:

 

a) La tubería horizontal de drenaje, así como el circuito de ventilación para la descarga en batería de 8 WC, instalados en el segundo bajante. Considere los WC con fluxómetro.

b) Los bajantes de aguas residuales para las longitudes y unidades de descarga que se muestran en la figura.

c) Los bajantes de ventilación para los bajantes de aguas residuales del inciso anterior.

d) El cabezal de ventilación para el sistema de recolección de aguas residuales.

 

 

Figura 5.28

Ejemplo 2. Diseño de bajantes de aguas residuales y ventilación, cabezales y circuitos de ventilación y tubería horizontal de drenaje

 

 

Solución:

 

Diseñaremos la tubería de drenaje y el circuito de ventilación para la descarga en batería de los WC, en primer lugar y, luego elaboraremos dos tablas: en una, diseñaremos los bajantes de aguas residuales y de ventilación; en otra diseñaremos el cabezal de ventilación. En todos los casos, mencionaremos las tablas utilizadas en la selección de los diámetros.

 

Cada WC con fluxómetro tiene una descarga equivalente a 8 UD por tanto, para la tubería horizontal de drenaje tenemos una descarga total de 64 UD.

 

De t abl a 5.2 ., obtenemos una tubería de 4" de diámetro con una pendiente de 1 %, que puede conducir un gasto máximo de 180 UD.

 

Para el circuito de ventilación de los fluxómetros instalados en batería, tenemos una descarga de 64 UD en una tubería de 4", con una longitud máxima de 7.00 m; así, de la tabl a 5.7 ., bajo las condiciones anteriores, el diámetro de la tubería de ventilación debe ser de 3", permitiendo una longitud máxima de ventilación de 15.85 m.

 

Para la selección de los bajantes de aguas residuales y ventilación, utilizaremos las ta bl a s 5.3. y 5. 6 .; para el cálculo de los bajantes de aguas residuales, tomando en cuenta la longitud de los mismos, los consideraremos de más de tres niveles. A continuación, elaboraremos la tabl a 5.8 ., en la que resumiremos las unidades de descarga y longitud de cada uno de los bajantes.

 

 

Tabla 5.8. Dimensionamiento de bajantes de aguas residuales y de ventilación

 

Identificador del bajante

Unidades de descarga

Longitud del bajante

(m)

Diámetro del bajante de aguas residuales

(pulgadas)

(Véase la tabla 5.3)

Diámetro del bajante

de ventilación

(pulgadas)

(Véase la tabla 5.6)

A 160 56 4 3

B 230 90 4 4

C 220 71 4 4

D 340 71 4 4

E 540 71 5 5

 

 

Dimensionaremos, a continuación, las tuberías del cabezal de ventilación. Para esto utilizaremos la tabla 5.6., que se usa tanto para el dimensionamiento de bajantes como de cabezales de ventilación ; la utilización de dicha tabla en el dimensionamiento de cabezales de ventilación, ya ha sido descrita anteriormente.

 

En la determinación de los cabezales de ventilación, debemos considerar siempre la longitud más larga a ventilar, a fin de garantizar el flujo de aire en el sistema.

A fin de mostrar de manera más clara el procedimiento, presentamos en la tabla 5.9. , un resumen de los cálculos.

 

Tabla 5.9. Dimensionamiento de cabezales de ventilación

 

Identificación de secciones y bajantes

Unidades de descarga

Longitud de desarrollo del bajante

(m)

Diámetro del bajante de aguas

residuales (pulgadas)

Diámetro del bajante de ventilación (pulgadas)

Diámetro del cabezal de ventilación (pulgadas)

Bajante A 160 56 4 3

Cabezal AB 160 56+6.1=62.1 3

Bajante B 230 90 4 4

Cabezal BC 160+230=390 90+12.2=102.2 4

Bajante C 220 71 4 4

Cabezal CD 390+220=610 102.2+10.5=112.7 5

Bajante D 340 71 4 4

Cabezal DE 610+340=950 112.7+12.2=124.9 5

Bajante E 540 84 5 5

Cabezal EF 950+540=1490 124.9+12.2+3=140.1 6