2. Comprender los tres tipos de sistemas de fontanería: climatización (hidráulico), fontanería (agua potable, alcantarillado y ventilación) y sistemas de fontanería químicos y especiales (sistemas de agua de mar y productos químicos peligrosos).
Las tuberías y los sistemas de plomería están presentes en muchos elementos de los edificios. Mucha gente ha visto un sifón o las tuberías de refrigerante debajo del fregadero que conectan con un sistema de aire acondicionado dividido. Sin embargo, pocos ven la red principal de plomería en la planta central o el sistema de limpieza química en la sala de equipos de la piscina. Cada una de estas aplicaciones requiere un tipo específico de tubería que cumpla con las especificaciones, las limitaciones físicas, los códigos y las mejores prácticas de diseño.
No existe una solución de fontanería sencilla que se adapte a todas las aplicaciones. Estos sistemas cumplen con todos los requisitos físicos y normativos si se cumplen los criterios de diseño específicos y se formulan las preguntas adecuadas a los propietarios y operadores. Además, permiten mantener los costes y plazos de entrega adecuados para crear un sistema de construcción eficaz.
Los conductos de climatización contienen diversos fluidos, presiones y temperaturas. Pueden estar por encima o por debajo del nivel del suelo y discurrir por el interior o el exterior del edificio. Estos factores deben tenerse en cuenta al especificar las tuberías de climatización en el proyecto. El término «ciclo hidrodinámico» se refiere al uso del agua como medio de transferencia de calor para la refrigeración y la calefacción. En cada aplicación, el agua se suministra a un caudal y una temperatura determinados. La transferencia de calor típica en una habitación se realiza mediante una serpentina aire-agua diseñada para devolver el agua a una temperatura fija. Esto da lugar a que se transfiera o extraiga una cierta cantidad de calor del espacio. La circulación de agua de refrigeración y calefacción es el sistema principal utilizado para la climatización de grandes instalaciones comerciales.
Para la mayoría de las aplicaciones en edificios de poca altura, la presión de operación esperada del sistema suele ser inferior a 150 libras por pulgada cuadrada (psig). El sistema hidráulico (agua fría y caliente) es un sistema de circuito cerrado. Esto significa que la altura dinámica total de la bomba tiene en cuenta las pérdidas por fricción en el sistema de tuberías, serpentines, válvulas y accesorios asociados. La altura estática del sistema no afecta el rendimiento de la bomba, pero sí la presión de operación requerida. Los enfriadores, calderas, bombas, tuberías y accesorios están clasificados para una presión de operación de 150 psi, que es común entre los fabricantes de equipos y componentes. Siempre que sea posible, esta clasificación de presión debe mantenerse en el diseño del sistema. Muchos edificios considerados de poca o mediana altura se encuentran dentro de la categoría de presión de trabajo de 150 psi.
En el diseño de edificios de gran altura, resulta cada vez más difícil mantener los sistemas de tuberías y equipos por debajo del estándar de 150 psi. Una altura estática de la línea superior a unos 350 pies (sin añadir presión de bombeo al sistema) excederá la presión de trabajo estándar de estos sistemas (1 psi = 2,31 pies de altura). Es probable que el sistema utilice un interruptor de presión (en forma de intercambiador de calor) para aislar los requisitos de mayor presión de la columna del resto de las tuberías y equipos conectados. Este diseño de sistema permitirá el diseño e instalación de enfriadores de presión estándar, así como la especificación de tuberías y accesorios de mayor presión en la torre de enfriamiento.
Al especificar las tuberías para un proyecto de campus de gran envergadura, el diseñador/ingeniero debe identificar claramente la torre y las tuberías especificadas para el podio, teniendo en cuenta sus requisitos individuales (o requisitos colectivos si no se utilizan intercambiadores de calor para aislar la zona de presión).
Otro componente de un sistema cerrado es la purificación del agua y la eliminación del oxígeno. La mayoría de los sistemas hidráulicos cuentan con un sistema de tratamiento de agua que utiliza diversos productos químicos e inhibidores para mantener el agua que fluye por las tuberías a un pH óptimo (alrededor de 9,0) y niveles microbianos adecuados para combatir la formación de biopelículas y la corrosión. Estabilizar el agua del sistema y eliminar el aire contribuye a prolongar la vida útil de las tuberías, las bombas, los serpentines y las válvulas. El aire atrapado en las tuberías puede provocar cavitación en las bombas de agua de refrigeración y calefacción, y reducir la transferencia de calor en el enfriador, la caldera o los serpentines de circulación.
Cobre: ​​Tubos estirados y endurecidos tipo L, B, K, M o C de acuerdo con ASTM B88 y B88M en combinación con accesorios de cobre forjado ASME B16.22 y accesorios con soldadura sin plomo o soldadura para aplicaciones subterráneas.
Tubería endurecida, tipo L, B, K (generalmente utilizada solo bajo tierra) o A según ASTM B88 y B88M, con accesorios de cobre forjado ASME B16.22 y conexiones mediante soldadura sin plomo o en superficie. Este tubo también permite el uso de accesorios sellados.
Los tubos de cobre tipo K son los más gruesos disponibles, proporcionando una presión de trabajo de 1534 psi/pulg² a 100 °F para ½ pulgada. Los modelos L y M tienen presiones de trabajo más bajas que el K, pero aún son adecuados para aplicaciones de HVAC (rangos de presión de 1242 psi a 100 °F a 12 pulgadas y 435 psi y 395 psi). Estos valores se toman de las Tablas 3a, 3b y 3c de la Guía de Tubos de Cobre publicada por la Asociación para el Desarrollo del Cobre.
Estas presiones de operación corresponden a tramos rectos de tubería, que normalmente no están limitados por la presión. Los accesorios y conexiones que unen dos tramos de tubería son más propensos a presentar fugas o fallas bajo la presión de operación de algunos sistemas. Los tipos de conexión típicos para tuberías de cobre son la soldadura, la unión soldada o el sellado a presión. Estas conexiones deben realizarse con materiales libres de plomo y estar clasificadas para la presión prevista en el sistema.
Cada tipo de conexión es capaz de mantener un sistema sin fugas cuando la conexión está correctamente sellada, pero estos sistemas responden de manera diferente cuando la conexión no está completamente sellada o prensada. Las uniones soldadas son más propensas a fallar y tener fugas cuando el sistema se llena y prueba por primera vez y el edificio aún no está ocupado. En este caso, los contratistas e inspectores pueden determinar rápidamente dónde está la fuga en la unión y solucionar el problema antes de que el sistema esté completamente operativo y se dañen los pasajeros y el revestimiento interior. Esto también se puede reproducir con conexiones herméticas si se especifica un anillo o conjunto de detección de fugas. Si no se presiona hasta el fondo para identificar el área problemática, el agua puede filtrarse de la conexión al igual que con la soldadura. Si no se especifican conexiones herméticas en el diseño, a veces permanecerán bajo presión durante las pruebas de construcción y pueden fallar solo después de un período de funcionamiento, lo que resulta en más daños al espacio ocupado y posibles lesiones a los ocupantes, especialmente si pasan tuberías calientes a través de las tuberías de agua.
Las recomendaciones para el dimensionamiento de tuberías de cobre se basan en los requisitos de las normativas, las recomendaciones del fabricante y las mejores prácticas. Para aplicaciones de agua fría (temperatura de suministro de agua generalmente de 42 a 45 °F), la velocidad máxima recomendada para sistemas de tuberías de cobre es de 8 pies por segundo para reducir el ruido del sistema y la posible erosión/corrosión. Para sistemas de agua caliente (generalmente de 140 a 180 °F para calefacción de espacios y hasta 205 °F para la producción de agua caliente sanitaria en sistemas híbridos), la velocidad máxima recomendada para tuberías de cobre es mucho menor. El Manual de Tuberías de Cobre indica velocidades de 2 a 3 pies por segundo cuando la temperatura de suministro de agua supera los 140 °F.
Las tuberías de cobre suelen venir en un tamaño determinado, hasta 12 pulgadas. Esto limita el uso de cobre en las instalaciones principales del campus, ya que el diseño de estos edificios a menudo requiere conductos de más de 12 pulgadas. Desde la planta central hasta los intercambiadores de calor asociados. La tubería de cobre es más común en sistemas hidráulicos de 3 pulgadas o menos de diámetro. Para tamaños superiores a 3 pulgadas, se suele utilizar tubería de acero ranurada. Esto se debe a la diferencia de costo entre el acero y el cobre, la diferencia en la mano de obra para tubería corrugada en comparación con tubería soldada o brazada (el propietario o el ingeniero no permiten ni recomiendan accesorios de presión), y las velocidades y temperaturas de agua recomendadas en el interior de cada tubería de materiales.
Acero: Tubería de acero negro o galvanizado según ASTM A 53/A 53M con accesorios de hierro dúctil (ASME B16.3) o hierro forjado (ASTM A 234/A 234M) y accesorios de hierro dúctil (ASME B16.39). Bridas, accesorios y conexiones de clase 150 y 300 disponibles con accesorios roscados o bridados. La tubería se puede soldar con material de aporte según AWS D10.12/D10.12M.
Cumple con ASTM A 536 Clase 65-45-12 Hierro dúctil, ASTM A 47/A 47M Clase 32510 Hierro dúctil y ASTM A 53/A 53M Clase F, E o S Grado B Acero de ensamblaje, o ASTM A106, grado B de acero. Accesorios ranurados o con orejetas para la fijación de accesorios de extremo ranurados.
Como se mencionó anteriormente, las tuberías de acero se utilizan más comúnmente para tuberías grandes en sistemas hidráulicos. Este tipo de sistema permite diversos requisitos de presión, temperatura y tamaño para satisfacer las necesidades de los sistemas de agua fría y caliente. Las designaciones de clase para bridas, accesorios y conexiones se refieren a la presión de trabajo del vapor saturado en psi.pulg. del elemento correspondiente. Los accesorios de clase 150 están diseñados para operar a una presión de trabajo de 150 psi.pulg. a 366 °F, mientras que los accesorios de clase 300 proporcionan una presión de trabajo de 300 psi. a 550 °F. Los accesorios de clase 150 proporcionan más de 300 psi de presión de trabajo de agua.pulg. a 150 °F, y los accesorios de clase 300 proporcionan hasta 2000 psi de presión de trabajo de agua.pulg. a 150 °F. Hay otras marcas de accesorios disponibles para tipos de tuberías específicos. Por ejemplo, para bridas de tuberías de hierro fundido y accesorios con brida ASME 16.1, se pueden usar grados 125 o 250.
Los sistemas de tuberías y conexiones ranuradas utilizan ranuras cortadas o formadas en los extremos de tuberías, accesorios, válvulas, etc., para conectar cada tramo de tubería o accesorio mediante un sistema de conexión flexible o rígido. Estos acoplamientos constan de dos o más piezas atornilladas y cuentan con una arandela en el orificio de acoplamiento. Estos sistemas están disponibles en bridas de clase 150 y 300 y con juntas de EPDM, y son capaces de operar a temperaturas de fluido de 230 a 250 °F (según el diámetro de la tubería). La información sobre tuberías ranuradas se ha obtenido de los manuales y la documentación de Victaulic.
Las tuberías de acero Schedule 40 y 80 son adecuadas para sistemas HVAC. La especificación de la tubería se refiere al espesor de la pared, que aumenta con el número de especificación. Con un aumento en el espesor de la pared, también aumenta la presión de trabajo admisible de la tubería recta. La tubería Schedule 40 permite una presión de trabajo de 1694 psi para tubería de ½ pulgada y de 696 psi para tubería de 12 pulgadas (de -20 a 650 °F). La presión de trabajo admisible para la tubería Schedule 80 es de 3036 psi (½ pulgada) y de 1305 psi (12 pulgadas) (ambas de -20 a 650 °F). Estos valores se obtuvieron de la sección de datos de ingeniería de Watson McDaniel.
Plásticos: Tuberías de plástico CPVC, accesorios de enchufe según la especificación 40 y la especificación 80 según ASTM F 441/F 441M (ASTM F 438 según la especificación 40 y ASTM F 439 según la especificación 80) y adhesivos solventes (ASTM F493).
Tubería de plástico PVC, accesorios de conexión según ASTM D 1785 cédula 40 y cédula 80 (ASM D 2466 cédula 40 y ASTM D 2467 cédula 80) y adhesivos solventes (ASTM D 2564). Incluye imprimación según ASTM F 656.
Las tuberías de CPVC y PVC son adecuadas para sistemas hidráulicos subterráneos, aunque incluso en estas condiciones se debe tener cuidado al instalarlas. Las tuberías de plástico se utilizan ampliamente en sistemas de alcantarillado y conductos de ventilación, especialmente en entornos subterráneos donde las tuberías sin revestimiento entran en contacto directo con el suelo circundante. Asimismo, la resistencia a la corrosión de las tuberías de CPVC y PVC resulta ventajosa debido a la corrosividad de algunos suelos. Las tuberías hidráulicas suelen estar aisladas y recubiertas con una funda protectora de PVC que actúa como barrera entre la tubería metálica y el suelo circundante. Las tuberías de plástico pueden utilizarse en sistemas de agua fría más pequeños donde se esperan presiones más bajas. La presión máxima de trabajo para tuberías de PVC supera los 150 psi para todos los diámetros de hasta 8 pulgadas, pero esto solo se aplica a temperaturas de 73 °F o inferiores. Cualquier temperatura superior a 73 °F reducirá la presión de funcionamiento del sistema de tuberías a 140 °F. El factor de reducción es 0,22 a esta temperatura y 1,0 a 73 °F. La temperatura máxima de funcionamiento de 140 °F es para tuberías de PVC Schedule 40 y Schedule 80. La tubería de CPVC puede soportar un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, lo que la hace adecuada para su uso hasta 200 °F (con un factor de reducción de 0,2), pero tiene la misma clasificación de presión que el PVC, lo que permite su uso en aplicaciones de refrigeración subterránea de presión estándar. sistemas de agua de hasta 8 pulgadas. Para sistemas de agua caliente que mantienen temperaturas de agua más altas, hasta 180 o 205 °F, no se recomiendan tuberías de PVC o CPVC. Todos los datos se toman de las especificaciones de tuberías de PVC de Harvel y las especificaciones de tuberías de CPVC.
Las tuberías transportan diversos líquidos, sólidos y gases. Tanto líquidos potables como no potables fluyen por estos sistemas. Debido a la gran variedad de fluidos que transporta un sistema de plomería, las tuberías en cuestión se clasifican como tuberías de agua potable o tuberías de drenaje y ventilación.
Agua potable: Tubería de cobre blando, ASTM B88 tipos K y L, ASTM B88M tipos A y B, con accesorios de presión de cobre forjado (ASME B16.22).
Tubos de cobre duro, ASTM B88 Tipos L y M, ASTM B88M Tipos B y C, con accesorios de soldadura de cobre fundido (ASME B16.18), accesorios de soldadura de cobre forjado (ASME B16.22), bridas de bronce (ASME B16.24) y accesorios de cobre (MCS SP-123). El tubo también permite el uso de accesorios sellados.
Los tipos de tuberías de cobre y las normas relacionadas se toman de la Sección 22 11 16 de la MasterSpec. El diseño de las tuberías de cobre para el suministro de agua potable está limitado por los requisitos de caudales máximos. Estos se especifican en la especificación de la tubería de la siguiente manera:
La sección 610.12.1 del Código Uniforme de Plomería de 2012 establece: La velocidad máxima en sistemas de tuberías y accesorios de cobre y aleación de cobre no debe exceder los 8 pies por segundo en agua fría y los 5 pies por segundo en agua caliente. Estos valores también se repiten en el Manual de Tuberías de Cobre, que los utiliza como velocidades máximas recomendadas para este tipo de sistemas.
Tuberías de acero inoxidable tipo 316 conforme a la norma ASTM A403 y accesorios similares con acoplamientos soldados o moleteados para tuberías de agua domésticas de mayor diámetro y como reemplazo directo de las tuberías de cobre. Debido al aumento del precio del cobre, las tuberías de acero inoxidable son cada vez más comunes en los sistemas de agua domésticos. Los tipos de tuberías y las normas relacionadas provienen de la Sección 22 11 00 de la Especificación Maestra de la Administración de Veteranos (VA).
Una nueva innovación que se implementará y aplicará en 2014 es la Ley Federal de Liderazgo en Agua Potable. Esta ley federal exige el cumplimiento de las leyes vigentes en California y Vermont con respecto al contenido de plomo en las tuberías, válvulas y accesorios utilizados en los sistemas de agua potable. La ley establece que todas las superficies en contacto con el agua de las tuberías, accesorios y grifería deben estar libres de plomo, lo que significa que el contenido máximo de plomo no debe exceder un promedio ponderado del 0,25 %. Esto obliga a los fabricantes a producir productos fundidos libres de plomo para cumplir con los nuevos requisitos legales. UL proporciona más detalles en las Directrices para el Plomo en Componentes de Agua Potable.
Drenaje y ventilación: Tuberías y accesorios de alcantarillado de hierro fundido sin mangas que cumplan con la norma ASTM A 888 o la norma CISPI 301 del Instituto de Tuberías de Alcantarillado de Hierro Fundido. Se pueden utilizar accesorios de ventilación que cumplan con la norma ASME B16.45 o ASSE 1043 con un sistema sin obstrucciones.
Las tuberías de alcantarillado de hierro fundido y los accesorios con bridas deben cumplir con la norma ASTM A 74, las juntas de goma (ASTM C 564) y el sellador de plomo puro y fibra de roble o cáñamo (ASTM B29).
Ambos tipos de conductos pueden utilizarse en edificios, pero los conductos y accesorios sin conductos son los más comunes en edificios comerciales, por encima del nivel del suelo. Las tuberías de hierro fundido con accesorios sin tapón CISPI permiten una instalación permanente, se pueden reconfigurar o acceder retirando las abrazaderas, manteniendo la calidad de una tubería metálica, lo que reduce el ruido de rotura en el flujo de residuos. La desventaja de las tuberías de hierro fundido es que se deterioran debido a los residuos ácidos que se encuentran en las instalaciones típicas de los baños.
Las tuberías y accesorios de acero inoxidable ASME A112.3.1 con extremos abocinados pueden utilizarse en sistemas de drenaje de alta calidad en lugar de tuberías de hierro fundido. También se emplean tuberías de acero inoxidable en la primera sección de la instalación, que se conecta a un sumidero de piso donde se drena el producto carbonatado para reducir los daños por corrosión.
Tubería de PVC sólida según ASTM D 2665 (drenaje, derivación y ventilación) y tubería de PVC alveolar según ASTM F 891 (Anexo 40), conexiones abocinadas (ASTM D 2665 a ASTM D 3311, drenaje, desagüe y ventilación) adecuadas para tubería Schedule 40), imprimación adhesiva (ASTM F 656) y adhesivo solvente (ASTM D 2564). Las tuberías de PVC se pueden encontrar por encima y por debajo del nivel del suelo en edificios comerciales, aunque se suelen catalogar por debajo del nivel del suelo debido a las grietas en las tuberías y a los requisitos de las normas especiales.
En la jurisdicción de construcción del sur de Nevada, la enmienda de 2009 al Código Internacional de la Construcción (IBC) establece:
603.1.2.1 Equipos. Se permite la instalación de tuberías combustibles en la sala de máquinas, encerradas por una estructura resistente al fuego de dos horas y totalmente protegidas por rociadores automáticos. Se pueden tender tuberías combustibles desde la sala de equipos a otras salas, siempre que estén encerradas en un conjunto especial resistente al fuego de dos horas aprobado. Cuando dichas tuberías combustibles atraviesen muros cortafuegos y/o pisos/techos, la penetración debe especificarse para el material de tubería específico con grados F y T no inferiores a la resistencia al fuego requerida para la penetración. Las tuberías combustibles no deben atravesar más de una capa.
Esto requiere que todas las tuberías combustibles (de plástico o de otro material) presentes en un edificio de Clase 1A, según lo define el IBC, estén envueltas en una estructura de 2 horas. El uso de tuberías de PVC en sistemas de drenaje tiene varias ventajas. En comparación con las tuberías de hierro fundido, el PVC es más resistente a la corrosión y oxidación causadas por los desechos del baño y la tierra. Cuando se instalan bajo tierra, las tuberías de PVC también son resistentes a la corrosión del suelo circundante (como se muestra en la sección de tuberías de HVAC). Las tuberías de PVC utilizadas en un sistema de drenaje están sujetas a las mismas limitaciones que un sistema hidráulico de HVAC, con una temperatura máxima de operación de 140 °F. Esta temperatura también está estipulada por los requisitos del Código Uniforme de Tuberías y el Código Internacional de Tuberías, que establecen que cualquier descarga a receptores de desechos debe ser inferior a 140 °F.
La sección 810.1 del Código Uniforme de Plomería de 2012 establece que las tuberías de vapor no deben conectarse directamente a un sistema de tuberías o drenaje, y que el agua a una temperatura superior a 140 °F (60 °C) no debe descargarse directamente en un desagüe presurizado.
La sección 803.1 del Código Internacional de Plomería de 2012 establece que las tuberías de vapor no deben conectarse a un sistema de drenaje ni a ninguna parte del sistema de plomería, y que el agua a una temperatura superior a 140 °F (60 °C) no debe descargarse en ninguna parte del sistema de drenaje.
Los sistemas de tuberías especiales se asocian con el transporte de líquidos no convencionales. Estos fluidos pueden abarcar desde tuberías para acuarios marinos hasta tuberías para el suministro de productos químicos a los sistemas de equipos de piscinas. Los sistemas de plomería para acuarios no son comunes en edificios comerciales, pero se instalan en algunos hoteles con sistemas de plomería remotos conectados a diversas ubicaciones desde una sala de bombas central. El acero inoxidable parece un tipo de tubería adecuado para sistemas de agua de mar debido a su capacidad para inhibir la corrosión con otros sistemas de agua, pero el agua salada puede corroer y erosionar las tuberías de acero inoxidable. Para tales aplicaciones, las tuberías marinas de plástico o CPVC de cobre-níquel cumplen con los requisitos de corrosión; al instalar estas tuberías en una gran instalación comercial, se debe considerar la inflamabilidad de las mismas. Como se mencionó anteriormente, el uso de tuberías combustibles en el sur de Nevada requiere que se solicite un método alternativo para demostrar la intención de cumplir con el código de tipo de construcción correspondiente.
Las tuberías de la piscina que suministran agua purificada para la inmersión corporal contienen una cantidad diluida de productos químicos (se puede usar hipoclorito de sodio al 12,5 % y ácido clorhídrico) para mantener un pH y un equilibrio químico específicos, según lo exige el departamento de salud. Además de las tuberías con productos químicos diluidos, se debe transportar lejía de cloro pura y otros productos químicos desde áreas de almacenamiento de materiales a granel y salas de equipos especiales. Las tuberías de CPVC son resistentes a los productos químicos para el suministro de lejía de cloro, pero se pueden usar tuberías de ferrosilicio de alta resistencia como alternativa a las tuberías de productos químicos cuando se atraviesan edificios no combustibles (por ejemplo, tipo 1A). Son resistentes, pero más frágiles que las tuberías de hierro fundido estándar y más pesadas que las tuberías comparables.
Este artículo analiza algunas de las muchas posibilidades para el diseño de sistemas de tuberías. Representan la mayoría de los tipos de sistemas instalados en grandes edificios comerciales, pero siempre habrá excepciones. La especificación maestra general es un recurso invaluable para determinar el tipo de tubería para un sistema dado y evaluar los criterios apropiados para cada producto. Las especificaciones estándar cumplirán con los requisitos de muchos proyectos, pero los diseñadores e ingenieros deben revisarlas cuando se trate de torres de gran altura, altas temperaturas, productos químicos peligrosos o cambios en la legislación o jurisdicción. Obtenga más información sobre recomendaciones y restricciones de plomería para tomar decisiones informadas sobre los productos instalados en su proyecto. Nuestros clientes confían en nosotros como profesionales del diseño para brindar a sus edificios diseños del tamaño adecuado, bien equilibrados y asequibles, donde los conductos alcanzan su vida útil esperada y nunca experimentan fallas catastróficas.
Matt Dolan es ingeniero de proyectos en JBA Consulting Engineers. Su experiencia se centra en el diseño de sistemas complejos de climatización y fontanería para diversos tipos de edificios, como oficinas comerciales, centros sanitarios y complejos hoteleros, incluyendo torres de gran altura para huéspedes y numerosos restaurantes.
¿Tiene experiencia y conocimientos sobre los temas tratados en este contenido? Considere la posibilidad de colaborar con el equipo editorial de CFE Media y obtener el reconocimiento que usted y su empresa merecen. Haga clic aquí para iniciar el proceso.