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Un curso en línea de educación continua de SunCam Tanques de almacenamiento de agua por Mark Ludwigson, P.E. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 2 de 29 Contenidos del curso: Objetivo y función de un tanque de almacenamiento de agua Normativas industriales Tipos de tanques de almacenamiento Tamaño del tanque Consideraciones de mezcla Características de los tanques Aspectos a tener en cuenta en relación a la calidad del agua Bibliografía de ayuda Evaluación 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 3 de 29 Objetivo y función de un tanque de almacenamiento de agua Los tanques de almacenamiento de agua son elementos imprescindibles para poder abastecer a la población de este recurso. También son benéficas desde un punto de vista económico al reducir el tamaño de las instalaciones de tuberías necesarias y al minimizar el consumo de energía. Los tanques de almacenamiento de agua se localizan en prácticamente en todos los sistemas de distribución de agua a nivel mundial. Es de vital importancia que los ingenieros comprendan las distintas funciones de los tanques de almacenamiento del agua. En este curso se abordarán todos los aspectos relativos a los tanques de almacenamiento de “agua lista para su consumo”, o “agua final” o “agua potable”. Este término se le atribuye al agua que ya ha sido tratada y desinfectada y que por lo tanto, está lista para ser distribuida de inmediato a la población en general. La tabla que aparece a continuación resume a grandes rasgos los propósitos y funciones de un tanque de almacenamiento de agua final. Tabla 1 – Objetivos y funciones de un tanque de almacenamiento de agua Objetivo Funcionamiento Comentarios 1. Incrementar la disponibilidad constante de agua Almacenar agua potable de forma que esté disponible ante un posible fallo del sistema Entre los posibles fallos se incluyen apagones, daños por tormentas, inundaciones y rotura del sistema de cañerías 2. Almacenar agua en caso de incendio Almacenar una gran cantidad de agua para la extinción de incendios Algunos sistemas presentan tanques de agua independientes para protección contra incendios 3. Igualar el flujo de agua El tanque se llena cuando disminuye la demanda del tanque y se vacía cuando ésta aumenta, por lo que es necesario mantener un flujo de agua constante Similar a un tanque de igualación; ver la sección de tamaños para más detalles 4. Proveer agua a alta presión sin sistema de cañerías La altura del tanque permite abastecer el agua a alta presión Aplica solamente en el caso de los tanques elevados 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 4 de 29 Normativas industriales Los tanques de almacenamiento son considerados como uno de los elementos más vulnerables y expuestos en todo sistema de suministro de agua. Éstos deben ser cuidadosamente diseñados e inspeccionados de forma periódica para reducir cualquier riesgo de accidente y evitar la contaminación de lagua. Para ayudar a proteger a la población de cualquier riesgo, se han desarrollado y aprobado una serie de directrices en relación al diseño, manejo e inspección de los tanques de almacenamiento de los sistemas de suministro de agua potable. El Recommended Standards for Water Works, también conocida Normativa de los Diez Estados, es el documento más ampliamente reconocido en los EE.UU para el diseño de tanques de almacenamiento de agua, y otros componentes del sistema. La mayoría de estados de los Estados Unidos y de las provincias de Canadá han optado por llevar a la práctica esta normativa. La sección 7 de la Normativa de los Diez Estados, denominada, “Almacenamiento de agua de consumo humano”, incluye seis páginas con recomendaciones para el diseño de los tanques de almacenamiento del agua. Por su parte, ciertos municipios han optado por incluir otras recomendaciones adicionales en el diseño e inspección de los tanques de almacenamiento, la normativa de construcción local también puede afectar a las características de un nuevo tanque, incluyendo la altura necesaria en base al área de inundación de la zona en cuestión, la altura máxima del tanque, máxima zona impermeable y necesidades arquitectónicas En el caso de que a un ingeniero le sea asignado el diseño de un nuevo tanque de almacenamiento, se deberá tener en cuenta la normativa local durante cada etapa del proceso para asegurar el correcto cumplimiento de las normas vigentes. Es posible que en dicho diseño sea necesario un permiso formal por parte de la agencia con autoridad para llevar a cabo las modificaciones del sistema de agua potable que fuesen necesarias. Tras la construcción del tanque, será necesaria la notificación final de que el tanque ha sido correctamente desinfectado de acuerdo a la normativa C652 AWWA y de que no hay indicios de bacterias fecales coliformes a través de un examen bacteriológico. La AWWA y la EPA han publicado una serie de directrices adicionales para el diseño, manejo e inspección de los tanques de almacenamiento. Diríjase a la sección de referencias para ver una lista de los documentos clave. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 5 de 29 Tipos de tanques de almacenamiento Existen tres tipos principales de tanques de almacenamiento de agua: superficial, elevado o tuberías verticales. Cada uno de los mismos se explica a continuación. Se debe destacar que no se han considerado aquí los tanques enterrados y los hidroneumáticos por ser relativamente poco frecuentes en los sistemas de distribución. 1. Tanques superficiales El tipo de tanque de almacenamiento más común es el tanque superficial, o también denominado tanque a nivel del suelo o reservorio a nivel del suelo. Sin embargo, el propio término de reservorio implica que éste puede no estar cubierto, y según la sección 7.0.2 b de la Normativa de los Diez Estados, es necesario un techo impermeable para que se pueda hablar de agua lista para el consumo. Por lo tanto, se suele emplear principalmente el término de tanque de almacenamiento superficial. Las figuras 1 y 2 muestran ejemplos de tanques de almacenamiento superficiales de agua lista para el consumo humano. Figura 1: Un tanque de acero de almacenamiento superficial. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 6 de 29 Figura 2: Un tanque de cemento de almacenamiento superficial con diseño. Un tanque de almacenamiento superficial necesita un sistema de bombeo para extraer el agua del tanque con la presión suficiente como para poder ser distribuido la población. Esto contrasta con un tanque elevado al poder éste último proveer agua a presión al sistema de distribución. En términos económicos, los tanques superficiales son los más baratos por la localización en la cual se construyen. Los costos de construcción de un tanque almacenamiento superficial a menudo suelen establecer un costo por unidad de volumen (dólares por galón o dólares por metro cúbico). Para calcular el costo de la unidad, únicamente se debe dividir el costo entre el volumen total. Por ejemplo, un tanque de 2 millones de galones que cueste 1 millón de dolores presentará un costo de unidad de $0.50 por galón. Los costos de unidad son útiles a la hora de llevar a cabo la planificación del capital inicial y para comparar el diseño con otras opciones y otros materialesde construcción. Los tanques superficiales presentan una baja proporción entre el área de superficie y el volumen, la cual se puede calcular haciendo uso de la siguiente fórmula matemática: 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 7 de 29 sa/vol 2 𝑟 ℎ 𝑟 ∗ ℎ Donde: sa/vol: proporción entre área de superficie y volumen r: radio del tanque h: altura lateral Las ventajas de una baja proporción entre el área de superficie y el volumen son las descritas a continuación: Menores costos de construcción al reducir el área total del suelo, las paredes y la cúpula. Un menor riesgo de que se produzca alguna brecha de seguridad al ser mucho menor el área que necesita ser protegida de las paredes y la cúpula. Un menor riesgo de contaminación externa por la reducción total del área del suelo, paredes y cúpula. Mejor calidad del agua al existir una mejor mezcla de homogeneización, menos zonas muertas y menos probabilidad de que se produzca el fenómeno de estratificación térmica. Se consigue un menor impacto al medio ambiente y se reduce la altura. 2. Tanques elevados Los tanques elevados de almacenamiento tienen la base del tanque por encima del nivel del suelo. Se les suele llamar de forma genérica torres de agua. Las figuras 3 y 4 muestran diferentes ejemplos de tanques elevados de almacenamiento. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 8 de 29 Figura 3: Una torre de agua de base cónica (izquierda) y una torre de agua esférica (derecha). Figura 4: Una torre de agua de múltiples apoyos (izquierda) y una torre de agua de columna acanalada (derecha). 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 9 de 29 La ventaja de un tanque elevado de almacenamiento es que puede abastecer agua a una alta presión a las zonas de su alrededor. Cuanto mayor sea la altura de la estructura, mayor será la presión del agua. Algunos tanques son lo suficientemente elevados como para poder suministrar agua a altas presiones sin necesidad de bombearla. La presión del agua de la cabeza estática se calcula haciendo uso de la siguiente fórmula matemática, según el principio de Bernoulli: p ℎ ∗ 𝑠𝑔 2.31 0.43 ∗ ℎ Donde: p: presión del agua (psi) h: altura del agua (pies) sg: gravedad específica del fluido (1.0 para el agua) A la hora de diseñar un tanque elevado de almacenamiento de agua, es de vital importancia realizar el cálculo del nivel de presión de salida del agua. Esta presión puede variar en función de la altura de los distintos edificios del área abastecida y también según sea el nivel de agua en el tanque, tal y como se indica en la figura 5. Figura 5: Presión del agua (p) calculada para los edificios en las zonas más y menos elevadas de una comunidad con un tanque elevado de almacenamiento. Nivel de agua alto = 220.00 Nivel de agua bajo = 200.00 Tanque elevado p = 0.43 * (200-50) = 65 psi p = 0.43 * (220-0) = 95 psi Elev = 50.00 Elev = 0.00 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 10 de 29 La mayor presión de agua es la que se observa en el edificio a menor altura cuando el tanque elevado de almacenamiento presenta un nivel de agua alto. Se debe confirmar que el sistema de tuberías en este caso sea diseñado para soportar las altas presiones de agua. Se debe considerar que las tuberías para la distribución del agua suelen estar por regla general a unos 3 o 5 pies por debajo del suelo, porque la presión en las tuberías deberá ser calculada a la elevación menor de la tubería. Se puede instalar una válvula que reduzca la presión en el sistema de cañerías para mantener las presiones por debajo de la presión máxima del deseño. Por su parte, la presión de agua menor es la que se observa en el edificio a mayor altura cuando el tanque elevado de almacenamiento presenta un bajo nivel de agua. En este caso, la presión debería ser superior a la mínima aceptable. Además, también se debe tener en cuenta la fricción generada en el interior de las tuberías y las posibles pérdidas a la hora de llevar a cabo los cálculos. De acuerdo a la Normativa de los Diez Estados, el diseño del sistema de distribución debe asegurar que la presión se encuentre aproximadamente entre los 60 y 80 psi en todo momento (410 – 550 kPa). Se debe mantener igualmente una presión mínima de 20 psi (140 kPa) a nivel del suelo y en cualquier punto del sistema de distribución, bajo cualquier que sean las condiciones de flujo. Del mismo modo, la normativa también exige que el diseño cuente con un sistema de alerta de contaminación de agua en caso de que la presión total disminuya por debajo de los 20 psi en cualquier punto del sistema de distribución. Los tanques elevados de almacenamiento suelen ser más frecuentes en zonas con colinas o con elevaciones del terreno y en las cuales es posible su instalación, reduciendo de esta forma la altura final del sistema y disminuyendo los gastos asociados. Los tanques elevados son menos frecuentes en zonas costeras y en las que se deben tomar en cuenta las fuerzas del viento en el diseño de la estructura. Del mismo modo, este tipo de tanques son poco frecuentes en zonas con intensa actividad sísmica. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 11 de 29 3. Tuberías verticales Una tubería vertical es un tanque de almacenamiento cuya base se encuentra a nivel del suelo y cuya altura es superior al diámetro de la misma. Muchas personas consideran que una tubería vertical es simplemente un tipo de torre de agua. También denominado columna vertical o columna ascendente. En los siglos XIX y XX, era muy frecuente encontrar este tipo de tanques en ciudades de todo el mundo. La figura 6 muestra algunos ejemplos de tuberías verticales. Figura 6: Ejemplos de instalaciones de tuberías verticales. El diseño de una tubería vertical permite que ésta genere la presión suficiente como para poder distribuir el agua sin problemas, aunque a veces es necesario el bombeo para conseguir sobrepasar los 60 psi en el sistema de distribución. Una tubería vertical con una altura superior a los 50 pies es capaz de generar suficiente presión como para mantener la presión del sistema de distribución por encima de los 20 psi en todo momento y en caso de que fallase el sistema de bombeo, y por consiguiente, se evita que se emitan posibles alertas de contaminación. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 12 de 29 El costo por unidad de una tubería vertical es superior al de un tanque de almacenamiento superficial, pero inferior al de un tanque elevado. Aún cuando este tipo de tanques presentan muchas ventajas, son igualmente propensos a que se produzca el fenómeno de la estratificación térmica en los mismos, afectando negativamente la calidad del agua. La estratificación térmica es un proceso en el que el agua caliente de menor densidad asciende y se sitúa en la parte superior del tanque, dando lugar, por ende, a una diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del tanque. Las tuberías verticales son más propensas a este fenómeno por tres razones principales: 1. La propia geometría del tanque, alto y delgado, hace que sea más probable el fenómeno de laestratificación térmica. Cuando más alto sea el tanque, mayor es la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del tanque. 2. Las tuberías verticales presentan una mayor proporción entre el área de superficie y el volumen, con lo que hay más área de superficie que está expuesta al calor del sol. 3. Es más difícil lograr una mezcla homogénea por la propia geometría del tanque. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 13 de 29 Tamaño del tanque Uno de los mayores retos a los que se enfrentan los ingenieros a la hora de diseñar un tanque de almacenamiento es determinar el tamaño óptima. Los pasos que se describen a continuación ayudarán a los profesionales a lo largo del proceso de elegir un tamaño: Paso número 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Evaluar las condiciones existentes Calcular el volumen regulador Calcular el volumen necesario Selección de volumen Primeras dimensiones del tanque Comprobar los niveles del agua Ajustar Comparar el costo con el presupuesto Ajustar 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 14 de 29 El paso 1 consiste en evaluar las condiciones existentes. Se debe recopilar como mínimo la información descrita a continuación: Se debe comprobar si ya existe algún tanque de almacenamiento en la zona circundante y comprobar su volumen de almacenamiento útil. Obtener un plano del sitio o levantamiento topográfico para donde ubicarlo. Obtener datos del flujo existente, incluyendo: o Flujo promedio por horas para cada hora del día, o Flujo máximo por hora, o Flujo mínimo diario, o Flujo diario promedio, y o Flujo máximo diario. Obtener o calcular el factor de pico, siendo éste un parámetro basado en el futuro crecimiento demográfico de la población y el desarrollo de la zona de estudio. El paso 2 consiste en calcular el volumen de almacenamiento mínimo requerido de acuerdo a los requisitos establecidos por la normativa. La Normativa de los Diez Estados indica que la capacidad de almacenamiento requerida (volumen) debe ser igual o superior al consumo diario promedio (demanda). Aunado a cualquier flujo de agua adicional que fuese necesario en caso de incendio. Por ejemplo, si el flujo diario promedio del último año ha sido de 5 de millones de galones de agua por día (mgd) y no ha sido necesario distribuir parte de ese caudal a la extinción de algún incendio, el volumen mínimo del tanque ha de ser de 5 millones de galones (MG). El profesional a cargo del diseño también deberá estar al tanto de la normativa municipal por si existiese cualquier otro requisito de volumen de almacenamiento. El paso 3 consiste en calcular el volumen de almacenamiento necesario o demandado. En el cómputo de este volumen, se tiene en cuenta la homogeneización diurna del flujo del agua del tanque, la demanda de flujo contra incendios, una reserva de emergencia y el volumen de almacenamiento muerto. El volumen de almacenamiento necesario se calcula en base a la siguiente fórmula: 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 15 de 29 El volumen de homogeneización (EQV) se calcula en función de la curva de flujo diurna, tal y como se muestra en la figura 7. El flujo diario promedio es la línea roja horizontal y la cual representa el relativo flujo de agua constante del tanque. En esta curva, el tanque se llena desde las 9 de la tarde hasta las 7 de la mañana, y se vacía desde las 7 de la mañana hasta las 9 de la tarde. Figura 7: Ejemplo de curva de homogeneización con la demanda diurna representada en color azul y el flujo diario promedio en rojo. DSV = EQV + FFV + FRV + DSV Donde: DSV: Volumen de almacenamiento necesario EQV: Volumen de homogeneización FFV: Volumen de flujo contra incendios ERV: Volumen de reserva de emergencia Llenado del tanque Vaciado del tanque Volumen de homogeneización Llenando Vaciando Llenando Caudal Flujo promedio Tiempo 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 16 de 29 El área contenida entre la línea de color rojo y la de color azul representa el volumen de homogeneización necesario. Este volumen se puede calcular con la fórmula que se detalla a continuación: EQV Σ |𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑄𝑖𝑛 |∆𝑡 2 1 2 |𝑄𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑄𝑎𝑣𝑔|∆𝑡 Donde: Qdemando = demando de flujo por horas (gpm) Qavg = flujo diario promedio (gpm) Δt = 1 hora (60 minutos) Ten en cuenta que el volumen de homogeneización necesario puede variar ligeramente según el día ya que la demanda del agua no es la misma y cambia a diario. Por ejemplo, la curva de demanda de flujo de agua en un día laboral es diferente de la de un fin de semana o de unas vacaciones. El profesional a cargo del diseño deberá analizar los datos del flujo diario a lo largo de muchos días y seleccionar el día que presente el mayor factor de pico. Este es un parámetro que corresponde a la proporción entre el máximo flujo por horas y el flujo diario promedio. Aquellos días que presenten mayores factores de pico necesitarán un mayor volumen de homogeneización. Otro aspecto que se debe tener en cuenta para el volumen de homogeneización es la demanda del flujo que se prevé en el futuro. Si se espera que el flujo experimente un incremento de un 50%, el volumen de homogeneización estimado se debe multiplicar por un factor de proyección de 1.50. Por último, el volumen de homogeneización necesario debe incrementarse en al menos un 10% en caso de que se produzcan variaciones inesperadas en el flujo diurno. El volumen del flujo contra incendios (FFV) se puede calcular de acuerdo al método de la oficina de servicios de seguro (ISO) o a través de cualquier otro proceso aprobado por el organismo de gobierno local. El método ISO se basa en el cálculo del flujo contra incendios necesario (NFF) y se multiplica por su duración. Un FFV se suele encontrar entre los 2500 y 35 00 gmp (de 158 a 221 litros/segundos) con un duración de entre 2 y 3 horas. Como resultado, el valor FFV suele ser de 0.30 a 0.63 MG. Vaya al manual de prácticas M31 de la AWWA, requisitos para el sistema de distribución, para saber más sobre cómo calcular el FFV de un tanque de almacenamiento. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 17 de 29 El volumen de reserva de emergencia (ERV) es aquel que se usa en caso de que se produzca un accidente como la rotura de una tubería, fallo en el equipo, apagones, contaminación del agua o desastres naturales. Normalmente se cuenta con una reserva de emergencia de entre el 20 y el 50% de la máxima demanda del día. Por ejemplo, si la demanda máxima es de 10mgd, el ERV debería encontrarse entre los 2 y los 5 MG. El volumen de almacenamiento muerto (DS) es aquel volumen de agua que se encuentra en la parte superior e inferior del tanque y que normalmente no se usa. En la parte superior del tanque suele haber un par de centímetros entre el volumen máximo de agua y el exceso de la misma. Por su parte, en la parte inferior también hay una distancia entre el valor mínimo del agua y la base del tanque para evitar que entre cualquier bolsa de aire en la tubería de salida. Y en algunos casos, proveer suficiente carga neta positiva en aspiración (NPSH) para las bombas de servicio de alta presión. Este volumen muerte se puede estimar entre un 10 y un 20%del total del volumen del tanque y se puede verificar en el paso 6. El paso 4 consiste en comparar el volumen regulador mínimo del paso 2 y el volumen de almacenamiento necesario del paso 3. El valor más alto deberá ser el volumen de almacenamiento. Por lo general, el volumen seleccionado se redondea hasta 0.5 MG. El paso 5 consiste en utilizar el volumen que se ha seleccionado previamente para definir las primeras dimensiones del tanque. El primer paso es decidir el número de tanques. Lo ideal es que existan dos o más tanques en cada sistema de distribución por las siguientes razones: Las inspecciones periódicas se llevan a cabo mejor cuando el tanque está vacío. En caso de que hubiese un único tanque, puede que no fuese posible poner fuera deservicio el tanque durante un día entero para llevar a cabo las actividades de inspección y mantenimiento. Es posible que se produzca algún fallo en el tanque o en sus partes que obliguen a pararlo para una reparación de emergencia. Sin un segundo tanque, el sistema de distribución quedaría completamente expuesto sin almacenamiento. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 18 de 29 Tener dos tanques facilita el mantener la calidad del agua en perfectas condiciones. Por ejemplo, si existiese un periodo de bajo flujo de demanda, se podría detener el funcionamiento de uno de los tanques para evitar que se formen zonas muertas o que aumente mucho la edad del agua, lo cual es muy posible cuando hay un bajo flujo. Entre las desventajas de tener múltiples tanques de almacenamiento se encuentran el incremento de costo de capital necesario para su construcción, una mayor extensión de tierra y una mayor complejidad del sistema. En caso de que no haya suficiente presupuesto para la construcción de dos tanques de almacenamiento, una opción es construir un único tanque según la demanda del momento y planificar la construcción de un segundo tanque de acuerdo a las demandas futuras. Si se opta por construir varios tanques de almacenamiento, éstos deberían poder albergar el mismo nivel máximo de agua y tener la misma elevación. Lo ideal es que tuviesen el mismo volumen de agua. Por ejemplo, si se opta por un volumen de 10 MG, entonces debería haber dos tanques de 5 MG. En caso de que ya hubiese un tanque de almacenamiento, la altura del nuevo debería tener la misma elevación de desbordamiento que el tanque existente. De esa forma, asegurar que ambos tanques pueden ser utilizados por igual sin que existiese desbordamiento en alguno de ellos. Si se conoce la altura, el diámetro se puede calcular fácilmente mediante la fórmula del volumen de un cilindro: 𝑉 𝜋 4 𝑑 ℎ In typical English units: 𝑉 5.87 𝑑 ℎ donde: V = volumen d = diámetro h = altura En caso de que no existiera ningún tanque, entonces habría que ponerse en contacto con un proveedor para que éste nos informase sobre cuál es el diámetro y la altura más económica dado el volumen deseado. Se deberán seleccionar las dimensiones más económicas en la medida de lo posible para reducir los costos de la construcción. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 19 de 29 30’-0” altura En el caso de un tanque elevado, la altura del mismo debería mantener una presión adecuada en el sistema de distribución en todo momento, tal y como se indica en la figura 4 .En el caso de una tubería vertical, se debería tener en cuenta la introducción de un sistema de mezcla a la hora de seleccionar el tamaño y forma final del tanque. El paso 6 consiste en comprobar el nivel del agua existente en el tanque. Éste paso resulta útil para establecer un perfil de los tanques con los volúmenes anteriormente calculados en el paso 3 y de sus primeras dimensiones. Ver el ejemplo de la figura 8. Figura 8: Perfil de un tanque de 4 MG con las elevaciones y volúmenes necesarios. La sección que se muestra como almacenamiento adicional representa la diferencia entre el volumen necesario y el volumen final seleccionado y puede deberse a uno o más de los motivos descritos a continuación: que el volumen que establece la normativa sea superior al volumen necesario, redondeando el volumen total del tanque hasta al número par más cercano, para futuras proyecciones o bien como margen de seguridad. Almacenamiento adicional = 0.5 MG Homogeneización = 1.0 MG Flujo contra incendios = 0.6 MG Reserva de emergencia = 1.4 MG Almacenamiento muerto = 0.5 MG 150’-0” diámetro EL 30.5 Desbordamiento EL 30.0 NA Alto EL 0.0 Base EL 4.0 NA Min EL 18.0 NA Bajo 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 20 de 29 El primer nivel de agua (NA) que se debe comprobar es la elevación mínima del agua, siendo ésta la mínima profundidad posible en la cual se pueda extraer agua del tanque del almacenamiento y al flujo máximo sin que exista riesgo de que ocurra algo de lo siguiente: 1) que quedé aire atrapado en la tubería externa y 2) cavitación de la bomba por una carga neta positiva en aspiración (NPSH) inadecuada. Para disminuir las posibilidades de que quede aire atrapado en el interior, se puede añadir una lámina anti-remolinos a la tubería externa del tanque. Una vez determinado el mínimo NA, se puede re-calcular nuevamente el volumen de almacenamiento muerto. Los niveles bajos y altos (o máximas) establecen el rango de funcionamiento normal del tanque. Se aconseja mantener el nivel del agua por encima del NA bajo para asegurar su abastecimiento en caso de incendio u otro evento. La elevación del NA desbordamiento debería ser al menos un par de centímetros superior a la elevación de NA alto para que se puedan considerar las variaciones en las lecturas del sensor del nivel de agua, la acción de onda en la superficie del agua y para darle tiempo suficiente a los trabajadores para evaluar una alarma de nivel de agua elevado antes de que se produzca algún evento de desbordamiento. Se debe aclarar con los proveedores del tanque que el volumen normal del mismo es hasta la NA alto y que no debería incluir el bordo libre en la elevación de desbordamiento. El paso 7 consiste en calcular el costo total del nuevo tanque o tanques. Tal y como se describe en el paso 5, si se pretenden construir dos tanques pero el presupuesto sobrepasa los gastos, se puede proceder con la construcción del primero y dejar la del segundo para más adelante. A la hora de calcular los gastos aproximados para la construcción de un tanque, se deben tener en cuenta los aspectos descritos a continuación: La ingeniería para el diseño, los permisos y la gestión de la construcción. Suministro del tanque e instalación del mismo. Características del tanque: escaleras, trampillas, conductos de ventilación y desagües. Cimientos del tanque. Suelo del tanque y protección contra rayos. Cubiertas protectoras y características arquitectónicas. Tuberías y válvulas asociadas al tanque. Iluminación de la zona, cámaras CCTV, bardas y otros elementos de seguridad. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 21 de 29 Características del tanque para redirigir y drenar el agua de la lluvia. Pruebas del agua, desinfección, controles bacteriológicos y la comisión. Instrumentación, controles y programación. Gastos generales de la contratista como las cuotas de los permisos, transporte, instalaciones temporales, gestión de riesgos, asociaciones, ganancias, etc. Estalación de costos hasta el punto medio de la construcción.379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 22 de 29 Consideraciones de mezcla Los sistemas de mezcla son muy frecuentes en los tanques de almacenamiento de agua al mejorar considerablemente la calidad del agua de los mismos. Estos sistemas pueden llevar a cabo una o más de las siguientes funciones: Disminuir el fenómeno de la estratificación térmica. Mejorar la circulación del agua y eliminar las zonas muertas. Homogeneizar la edad del agua. Permitir la adición de compuestos químicos directamente al agua del tanque. Liberar compuestos orgánicos volátiles (VOCs) y reducir la formación de trihalometano (THM), un subproducto de la desinfección del agua (DBP). La tabla que aparece a continuación detalla de los tipos de sistemas de mezcla más comunes con sus ventajas y desventajas. Tabla 2 – Comparación de los sistemas de mezcla Sistema de mezcla Descripción Ventajas Paredes o cortinas deflectoras El flujo debe pasar a través de una serie de paredes o cortinas. No requiere energía ni tampoco un mantenimiento del sistema. Agitador mecánico Se puede instalar un agitador en la base del tanque, en una barra, o flotar en la superficie del tanque Es un proceso eficaz de homogeneización que no depende del flujo del agua del tanque. La mayoría son compatibles con la adición de compuestos químicos Sistema de mezcla pasivo La tubería de entrada accede al tanque con una serie de bocas u orificios que permiten la homogeneización del contenido del mismo No requiere energía ni tampoco el mantenimiento. Adecuado para la estratificación térmica Sistema aerobio Existen difusores de aire con un soplador y un sistema de tuberías para la recirculación del mismo Es un proceso eficaz de homogeneización que no depende del flujo. Reduce la formación de THM. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 23 de 29 Las figuras 9 y 10 son ejemplos de sistemas de mezcla de tanques. Figura 9: Un sistema de mezcla pasivo con varias boquillas para mezclar el contenido total del tanque. Figura 10: Un agitador sumergible sobre un riel y el cual puede ser removido desde la escotilla de la parte superior. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 24 de 29 Características del tanque Es importante que los tanques cuenten con una serie de características importantes para la operación exitosa y poder llevar a cabo el mantenimiento adecuado de los tanques de almacenamiento. Las características típicas de un tanque de almacenamiento superficial son las descritas en la figura 11, mientras que las de un tanque elevado se detallan en la figura 12. La Normativa de los Diez Estados recoge las siguientes características que debe presentar un tanque: Las líneas de drenaje y vaciado no podrán estar conectadas directamente a un sistema de alcantarillado o drenaje para lluvia. Las tuberías de drenaje deberán terminan a unos 12 o 14 pulgadas por encima del nivel del suelo e incluir una mosquitera para insectos. Los drenajes deben estar localizados de forma que siempre estén visible cualquier posible vertido. Todos los tanques de almacenamiento deberán contar con los sistemas de acceso al interior adecuadas de los mismos para su limpieza y mantenimiento. El conducto de ventilación debe estar separado del desagüe. Los conductos deberán estar cubiertos para evitar la entrada de la lluvia de agua y contar con un mosquitera para insectos. El techo y las paredes laterales deberán ser impermeables y contar únicamente con las aperturas y entradas indispensables. Deberá haber elementos de seguridad como jaulas en escaleras, guardas en rieles, agarraderas y barras protectoras por las aperturas de las tuberías. Deberá haber pequeños grifos para poder recoger muestras de agua y así llevar a cabo los exámenes microbiológicos y los análisis pertinentes de la calidad del agua. . La ventilación necesita un área lo suficientemente grande para evitar que aumente la presión en el tanque durante el llenado y un sistema de vacío durante el vaciado del mismo. Se pueden utilizar los siguientes lineamientos para establecer el tamaño: El área de ventilación deberá permitir la liberación de un mínimo de 6 pies cúbicos por hora de aire por cada 42 galones por hora de flujo de agua, de acuerdo a la norma 2000 API, sección 4.3.2.2. La velocidad del aire que pasa a través de la ventilación no podrá sobrepasar los 3.5 ft/s (1 m/s). El área de ventilación deberá ser como mínimo tres veces el área de la tubería de entrada de flujo. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 25 de 29 Ventilación y acceso superior Sensor de nivel ultrasónico Piso del tanque Tubería de entrada/salida Acceso a la parte inferior al tanque Pasarela/pasillo Escalera interna Válvula de altura Acceso lateral Ventilación Acceso superior Desbordamiento Escalera externa Escalera interna Indicador del nivel del líquido Válvula de altura Línea de detección Acceso lateral Anti- remolinos Sensor del nivel de presión Drenaje Entrada Mezcladora Salida Figura 11: Características típicas de un tanque de almacenamiento superficial. Figura 12: Características típicas de una columna acanalada en un tanque elevado de almacenamiento. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 26 de 29 La siguiente tabla indica si las características de tanque son necesarias, común o poco común para cada uno de los tres tipos principales de tanques. Tabla 3: Frecuencia de las distintas características de tanques en relación a los diferentes tipos de tanques de agua Características Tanque superficial Tanque elevado Tubería vertical Faro de luz Poco frecuente Requerido, depende de la altura Requerido, depende de la altura Conducto de ventilación Requerido Requerido Requerido Desbordamiento Requerido Requerido Requerido Trampilla para acceso superior Común Común Común Escalera externa Común Solo es común en modelos con soportes Común Escalera interna Común Común excepto en modelos con soportes Poco común Acceso a la tubería desde el tanque Poco común Común excepto en los modelos con muchas patas Poco común Trampilla de acceso lateral Común Común Común Indicador del nivel de líquido Común Poco frecuente Poco frecuente Sensor de nivel Requerido Requerido Requerido Sistema de mezcla Común Poco común Poco común Válvula con línea de detección Común, un sentido Común, de uno y dos sentidos Común, de uno y dos sentidos Tubería interna Requerido A menudo suele ser una combinación de una tubería interna y externa A menudo suele ser una combinación de una tubería interna y externa Tubería externa Requerido Tubería para drenaje Común Poco frecuente, se usa la tubería externa Poco frecuente, se usa la tubería externa Válvula anti torbellino Común Poco frecuente Poco frecuente 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 27 de 29 Aspectos a tener en cuenta en relación a la calidad del agua Los tanques de almacenamiento de agua llevan empleándose en sistemas públicos de distribución de agua desde mediados delsiglo 19, y son un elemento muy frecuente en cualquier parte del mundo. Sin embargo, en las últimas épocas, hay un mayor interés en cuanto a la calidad del agua de los tanques de almacenamiento y de los sistemas de distribución de la misma. Los principales problemas se resumen en la tabla 4 que aparece a continuación. Tabla 4: Riesgos potenciales en la calidad del agua de los tanques de almacenamiento Físicos Químicos Biológicos Estratificación térmica Formación de producto secundarios a la desinfección Nitrificación Formación de sedimentos y lodo Nivel bajo de desinfectante Crecimiento de microbios y biopelícula Corrosión Contaminantes químicos Contaminación patógena Sabor y olor desagradables El factor de riesgo más importante en cuanto al deterioro en la calidad del agua es la edad de la misma. Un estancamiento prolongado (superior a 24 horas) propicia que los niveles de desinfección no sean los adecuados, que se produzcan cambios químicos y que los microbios se incrementen. Los sistemas de distribución de agua con tanques de almacenamiento en localizaciones lejanas son más propensos a dar este tipo de problemas, principalmente en los tanques más alejados. Cambias en la operación puede reducir la edad del agua a niveles más aceptables. Como operar el tanque a un nivel de agua menor. La estratificación térmica y el poco movimiento del agua pueden dar lugar a un incremento de la edad del agua en ciertas zonas dentro del propio tanque, lo cual es fácilmente evitable con un sistema de mezcla. Un modelo dinámico de fluidos computacional (CFD) puede proporcionar la información para indicar si es necesario o no si un sistema de mezcla es requerido, así como a escoger el mejor diseño del mismo. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 28 de 29 Un tanque de almacenamiento de agua debe ser una estructura hermética e impermeable, con mosquiteros de gran calidad en las áreas para ventilación y sobre flujo. Aun así, los tanques siguen siendo susceptibles a contaminación por restos de materiales de desechos externos, deshechos biológicos y químicos, por ejemplo, si el tanque se dañara o llegase a desarrollar grietas. Los tanques de almacenamientos deben ser evaluados periódicamente para identificar posibles problemas estructurales o relacionados con la contaminación, incluyendo las paredes, áreas de ventilación, techos y área de para desbordamiento. De acuerdo a la normativa NFPA 25, el interior del tanque se debe revisar cada 3 años en el caso de tanques de acero sin protección anti-corrosión, y cada 5 años para cualquier otro tipo de tanque. Con el paso de tiempo, es frecuente observar la formación de un sedimento y lodo en la parte inferior del tanque. Este sedimento acumulado puede proveer los nutrientes necesarios para el crecimiento y reproducción de las bacterias, derivando en consecuencia en nitrificación, formación de DBP y otros problemas relacionados con la calidad del agua. Se debe inspeccionar el nivel de sedimento en las inspecciones periódicas de los tanques y en caso de que haya sedimento en exceso, deberá ser removido. Es de ayuda drenar y limpiar todo el interior del tanque regularmente. Figura 13: Ejemplos de lodo con cal encontrados en el interior de un tanque de almacenamiento de agua superficial. A la izquierda, se observa la formación de lodo en un puerto de acceso lateral. A la derecha, se observa el piso de un tanque con un par de centímetros de lodo. 379.pdf Tanques de almacenamiento de agua Un curso en línea de educación continua de SunCam www.SunCam.com Copyright 2020 Mark Ludwigson Página 29 de 29 Bibliografía de ayuda Normativa para el diseño y operación de los tanques: Great Lakes Upper Mississippi River Board of State Public Health & Environmental Managers (2012). “Recommended Standards for Water Works”. (También conocida como Normativa de los Diez Estados). Albany, NY: Health Education Services. EPA y AWWA (2002) “Finished Water Storage Facilities”. CONAGUA (2012) “Diseño de Redes de Distribución de Agua Potable”. Libro 12 de Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Tamaño y diseño de tanques: Mays, Larry W. (1999) “Water Distribution Systems Handbook”. McGraw-Hill. AWWA (2013) “Steel Water Storage Tanks”. AWWA Manual M42. AWWA (2008) “Distribution System Requirements for Fire Protection”. Manual of Practice M31. API (2014), “Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks”, API Standard 2000. Desinfección del tanque: AWWA (2011) “Disinfection of Water Storage Facilities”, AWWA Standard C652. Inspección del tanque: EPA (2019) “How to Conduct a Sanitary Survey of Drinking Water Systems”, EPA 816-R-17-001. EPA (2017) “Finished Water Storage Tank Inspection/Cleaning Checklist”, EPA Region 8. NFPA (2020) “Standard for the Inspection, Testing, and Maintenance of Water- Based Fire Protection Systems”. NFPA 25. 379.pdf
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