2. Comprender los tres tipos de sistemas de plomería: HVAC (hidráulico), plomería (agua doméstica, alcantarillado y ventilación) y sistemas de plomería químicos y especiales (sistemas de agua de mar y productos químicos peligrosos).
La plomería y los sistemas de plomería existen en muchos elementos de construcción. Mucha gente ha visto un sifón o una tubería de refrigerante debajo del fregadero que conecta y sale de un sistema split. Pocas personas ven la plomería principal de ingeniería 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 restricciones físicas, los códigos y las mejores prácticas de diseño.
No existe una solución de plomería 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 correctas a los propietarios y operadores. Además, permiten mantener los costos y plazos de entrega adecuados para crear un sistema de construcción exitoso.
Los conductos de climatización (HVAC) contienen diversos fluidos, presiones y temperaturas. El conducto puede 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 refrigeración y calefacción. En cada aplicación, el agua se suministra a un caudal y temperatura determinados. La transferencia de calor típica en una habitación se realiza mediante un serpentín aire-agua diseñado para devolver el agua a una temperatura fija. Esto permite que se transfiera o extraiga cierta cantidad de calor del espacio. La circulación de agua de refrigeración y calefacción es el principal sistema utilizado para el aire acondicionado en grandes instalaciones comerciales.
Para la mayoría de las aplicaciones en edificios de baja 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 considera las pérdidas por fricción en el sistema de tuberías, los serpentines, las válvulas y los 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, la cual es común para los fabricantes de equipos y componentes. Siempre que sea posible, esta presión nominal debe mantenerse en el diseño del sistema. Muchos edificios considerados de baja o mediana altura se encuentran en la categoría de presión de trabajo de 150 psi.
En el diseño de edificios de gran altura, es cada vez más difícil mantener los sistemas de tuberías y equipos por debajo del estándar de 150 psi. Una presión estática en la línea superior a unos 350 pies (sin añadir presión de bombeo al sistema) superará la presión de trabajo estándar de estos sistemas (1 psi = 2,31 pies de presión). El sistema probablemente utilizará 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 del 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 grande, el diseñador/ingeniero debe identificar conscientemente la torre y las tuberías especificadas para el podio, reflejando 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 de oxígeno. La mayoría de los sistemas hidráulicos cuentan con un sistema de tratamiento de agua que consta de diversos productos químicos e inhibidores para mantener el flujo de agua por las tuberías a un pH óptimo (alrededor de 9,0) y niveles microbianos adecuados para combatir la biopelícula y la corrosión. Estabilizar el agua del sistema y eliminar el aire ayuda a prolongar la vida útil de las tuberías, las bombas, los serpentines y las válvulas. El aire atrapado en las tuberías puede causar 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 trefilados 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 accesorios conectados mediante soldadura sin plomo o sobre tierra. Este tubo también permite el uso de accesorios sellados.
La tubería de cobre tipo K es la más gruesa disponible y ofrece una presión de trabajo de 1534 psi a 100 °F (38 °C) para ½ pulgada. Los modelos L y M tienen presiones de trabajo más bajas que los del tipo K, pero siguen siendo adecuados para aplicaciones de HVAC (rango 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 Tuberías de Cobre publicada por la Asociación de Desarrollo del Cobre.
Estas presiones de operación corresponden a tramos rectos de tubería, que normalmente no son tramos del sistema con presión limitada. Los accesorios y conexiones que conectan 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 soldadura blanda o el sellado presurizado. Estas conexiones deben estar fabricadas con materiales sin plomo y ser aptas para la presión prevista en el sistema.
Cada tipo de conexión puede mantener un sistema sin fugas cuando el accesorio está correctamente sellado, pero estos sistemas responden de manera diferente cuando el accesorio no está completamente sellado o prensado. Las soldaduras y las uniones soldadas son más propensas a fallar y presentar 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 los pasajeros y el revestimiento interior sufran daños. Esto también se puede reproducir con accesorios herméticos si se especifica un anillo o conjunto de detección de fugas. Si no se presiona completamente para identificar el área problemática, el agua puede salir del accesorio, al igual que la soldadura. Si el diseño no especifica accesorios herméticos, a veces permanecerán bajo presión durante las pruebas de construcción y podrían fallar solo después de un período de funcionamiento, lo que resulta en mayores daños al espacio ocupado y posibles lesiones a los ocupantes, especialmente si pasan tuberías calientes por las tuberías.
Las recomendaciones de dimensionamiento de las tuberías de cobre se basan en los requisitos de la normativa, las recomendaciones del fabricante y las mejores prácticas. Para aplicaciones de agua fría (temperatura del suministro de agua típicamente de 42 a 45 °F), el límite de velocidad recomendado para los sistemas de tuberías de cobre es de 8 pies por segundo para reducir el ruido del sistema y el riesgo de erosión/corrosión. Para sistemas de agua caliente (típicamente de 140 a 180 °F para calefacción y hasta 205 °F para producción de agua caliente sanitaria en sistemas híbridos), el límite de velocidad recomendado para las tuberías de cobre es mucho menor. El Manual de Tuberías de Cobre indica estas velocidades como de 2 a 3 pies por segundo cuando la temperatura del suministro de agua es superior a 140 °F.
Las tuberías de cobre suelen tener un tamaño específico, de hasta 30 cm (12 pulgadas). Esto limita el uso de cobre en los servicios públicos principales del campus, ya que estos diseños de edificios suelen requerir conductos de más de 30 cm (12 pulgadas). Desde la planta central hasta los intercambiadores de calor asociados. Las tuberías de cobre son más comunes en sistemas hidráulicos de 7,6 cm (3 pulgadas) de diámetro o menos. Para tamaños superiores a 7,6 cm (3 pulgadas), se utilizan con mayor frecuencia tuberías de acero ranuradas. Esto se debe a la diferencia de costo entre el acero y el cobre, la diferencia en la mano de obra para tuberías corrugadas en comparación con las soldadas (el propietario o el ingeniero no permite ni recomienda el uso de accesorios a presión) y las velocidades y temperaturas recomendadas del agua en estas tuberías dentro de cada material.
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 de hierro dúctil (ASME B16.39). Bridas, accesorios y conexiones de clase 150 y 300 están disponibles con accesorios roscados o bridados. La tubería se puede soldar con metal de aportación según AWS D10.12/D10.12M.
Cumple con las normas ASTM A 536, hierro dúctil clase 65-45-12, ASTM A 47/A 47M, hierro dúctil clase 32510 y ASTM A 53/A 53M, acero de ensamblaje clase F, E o S, grado B, o ASTM A106, acero grado B. Accesorios ranurados o de orejeta para fijar accesorios de extremo ranurados.
Como se mencionó anteriormente, las tuberías de acero se utilizan con mayor frecuencia para tuberías de gran tamaño en sistemas hidráulicos. Este tipo de sistema admite 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 accesorios se refieren a la presión de trabajo del vapor saturado en psi. pulgada del artículo correspondiente. Los accesorios de clase 150 están diseñados para operar a una presión de trabajo de 150 psi. pulgada a 366 °F, mientras que los accesorios de clase 300 proporcionan una presión de trabajo de 300 psi. pulgada a 550 °F. Los accesorios de clase 150 proporcionan una presión de agua de trabajo de más de 300 psi. pulgada a 150 °F, y los accesorios de clase 300 proporcionan una presión de agua de trabajo de hasta 2000 psi. pulgada a 150 °F. Hay otras marcas de accesorios disponibles para tipos de tubería específicos. Por ejemplo, para bridas de tubería de hierro fundido y accesorios con bridas ASME 16.1, se pueden utilizar los grados 125 o 250.
Los sistemas de tuberías y conexiones ranuradas utilizan ranuras cortadas o conformadas 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 tienen una arandela en el orificio. Están disponibles con bridas de clase 150 y 300 y materiales de junta de EPDM, y son capaces de operar a temperaturas de fluido de 230 a 250 °F (según el tamaño de la tubería). La información sobre tuberías ranuradas se obtiene de los manuales y la documentación de Victaulic.
Las tuberías de acero cédula 40 y 80 son aceptables para sistemas de climatización (HVAC). La especificación de la tubería se refiere al espesor de pared, que aumenta con el número de especificación. Al aumentar el espesor de pared, también aumenta la presión de trabajo admisible para tuberías rectas. La tubería cédula 40 permite una presión de trabajo de 1694 psi para tuberías de ½ pulgada y 696 psi para tuberías de 12 pulgadas (de -20 a 650 °F). La presión de trabajo admisible para tuberías cédula 80 es de 3036 psi para tuberías de ½ pulgada y 1305 psi para tuberías de 12 pulgadas (ambas de -20 a 650 °F). Estos valores se obtuvieron de la sección de datos de ingeniería de Watson McDaniel.
Plásticos: Tuberías plásticas CPVC, accesorios de conexión según Especificación 40 y Especificación 80 según ASTM F 441/F 441M (ASTM F 438 según Especificación 40 y ASTM F 439 según Especificación 80) y adhesivos solventes (ASTM F493).
Tubería de plástico PVC, conexiones de enchufe 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.
Tanto las tuberías de CPVC como las de PVC son aptas para sistemas hidráulicos subterráneos, aunque incluso en estas condiciones se debe tener cuidado al instalarlas en un proyecto. Las tuberías de plástico se utilizan ampliamente en sistemas de alcantarillado y conductos de ventilación, especialmente en entornos subterráneos donde las tuberías expuestas entran en contacto directo con el suelo circundante. Al mismo tiempo, la resistencia a la corrosión de las tuberías de CPVC y PVC es ventajosa debido a la corrosividad de algunos suelos. Las tuberías hidráulicas suelen estar aisladas y cubiertas con una funda protectora de PVC que proporciona una barrera entre la tubería metálica y el suelo circundante. Las tuberías de plástico se pueden utilizar en sistemas de agua refrigerada más pequeños donde se esperan presiones más bajas. La presión máxima de trabajo para las tuberías de PVC supera los 150 psi para todos los tamaños de tubería de hasta 8 pulgadas, pero esto solo aplica a temperaturas de 73 °F o inferiores. Cualquier temperatura superior a 73 °F reducirá la presión de operación en el sistema de tuberías a 140 °F. El factor de reducción es de 0,22 a esta temperatura y de 1,0 a 23 °C. La temperatura máxima de funcionamiento de 60 °C corresponde a las tuberías de PVC cédula 40 y cédula 80. Las tuberías de CPVC soportan un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, lo que las hace aptas para su uso hasta 93 °C (con un factor de reducción de 0,2), pero tienen la misma presión nominal que el PVC, lo que permite su uso en aplicaciones de refrigeración subterránea de presión estándar. Sistemas de agua de hasta 20 cm (8 pulgadas). Para sistemas de agua caliente que mantienen temperaturas de agua más altas, de hasta 82 °C o 93 °C (180 °F o 205 °F), no se recomiendan las tuberías de PVC ni CPVC. Todos los datos se extraen de las especificaciones de las tuberías de PVC y CPVC de Harvel.
Tuberías Las tuberías transportan una gran variedad de líquidos, sólidos y gases. En estos sistemas circulan líquidos tanto potables como no potables. Debido a la gran variedad de fluidos que circulan en un sistema de plomería, estas tuberías se clasifican como tuberías de agua doméstica o tuberías de drenaje y ventilación.
Agua doméstica: 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).
Tubería de cobre endurecido, 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 sus normas correspondientes se extraen de la Sección 22 11 16 del MasterSpec. El diseño de las tuberías de cobre para el suministro de agua doméstica está limitado por los requisitos de caudal máximo. 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 2,4 m/s en agua fría ni los 1,5 m/s 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 conformes a la norma ASTM A403 y accesorios similares que utilizan acoplamientos soldados o moleteados para tuberías de agua domésticas de mayor tamaño y como reemplazo directo de tuberías de cobre. Con el 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 se encuentran en la Sección 22 11 00 de las Especificaciones Maestras de la Administración de Veteranos (VA).
Una innovación que se implementará y aplicará en 2014 es la Ley Federal de Liderazgo en Agua Potable. Esta ley federal establece el cumplimiento de las leyes vigentes en California y Vermont sobre el contenido de plomo en las vías fluviales de cualquier tubería, válvula o accesorio utilizado en sistemas de agua domésticos. La ley establece que todas las superficies húmedas de tuberías, accesorios y grifería deben estar "libres de plomo", lo que significa que el contenido máximo de plomo "no debe superar un promedio ponderado del 0,25 % (plomo)". Esto exige a los fabricantes producir productos de fundición sin 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 cumplen con las normas ASTM A 888 o CISPI 301 del Cast Iron Sewer Piping Institute. Los accesorios Sovent que cumplen con ASME B16.45 o ASSE 1043 se pueden utilizar con un sistema sin parada.
Las tuberías de alcantarillado de hierro fundido y los accesorios con bridas deben cumplir con la norma ASTM A 74, juntas de goma (ASTM C 564) y sellador de plomo puro y fibra de roble o cáñamo (ASTM B29).
Ambos tipos de conductos se pueden utilizar en edificios, pero los conductos y accesorios sin conductos se utilizan con mayor frecuencia sobre el nivel del suelo en edificios comerciales. Las tuberías de hierro fundido con accesorios sin tapón CISPI permiten una instalación permanente, se pueden reconfigurar o se puede acceder a ellas retirando las abrazaderas de banda, a la vez que conservan la calidad de una tubería metálica, lo que reduce el ruido de ruptura en el flujo de residuos. La desventaja de la plomería de hierro fundido es que se deteriora debido a los residuos ácidos presentes en las instalaciones típicas de los baños.
Las tuberías y accesorios de acero inoxidable ASME A112.3.1 con extremos abocinados y abocinados se pueden utilizar para sistemas de drenaje de alta calidad en lugar de tuberías de hierro fundido. También se utiliza acero inoxidable en la primera sección de la tubería, que se conecta a un fregadero de piso por donde se drena el producto carbonatado para reducir los daños por corrosión.
Tubería de PVC sólido según ASTM D 2665 (drenaje, desviación y ventilación) y tubería de PVC en panal según ASTM F 891 (Anexo 40), conexiones abocardadas (ASTM D 2665 a ASTM D 3311, drenaje, desagüe y ventilación) aptas para tuberías 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 es más común encontrarlas por debajo del nivel del suelo debido a la posibilidad de agrietamiento y a requisitos de normativas especiales.
En la jurisdicción de construcción del sur de Nevada, la enmienda del Código Internacional de Construcción (IBC) de 2009 establece:
603.1.2.1 Equipo. Se permite la instalación de tuberías combustibles en la sala de máquinas, protegidas por una estructura resistente al fuego de dos horas y completamente con rociadores automáticos. Se pueden tender tuberías combustibles desde la sala de máquinas a otras salas, siempre que estén protegidas por un conjunto especial aprobado con resistencia al fuego de dos horas. Cuando dichas tuberías combustibles atraviesen paredes cortafuegos, pisos o cielorrasos, la penetración debe especificarse para el material de tubería específico, con grados F y T no inferiores a la resistencia al fuego requerida. Las tuberías combustibles no deben penetrar más de una capa.
Esto exige que todas las tuberías combustibles (plásticas o de otro tipo) presentes en un edificio de Clase 1A, según la definición del IBC, estén revestidas con una estructura de 2 horas de duración. El uso de tuberías de PVC en sistemas de drenaje ofrece varias ventajas. En comparación con las tuberías de hierro fundido, el PVC es más resistente a la corrosión y la oxidación causadas por los desechos sanitarios y la tierra. Al instalarse bajo tierra, las tuberías de PVC también son resistentes a la corrosión del suelo circundante (como se muestra en la sección sobre tuberías de climatización). Las tuberías de PVC utilizadas en un sistema de drenaje están sujetas a las mismas limitaciones que un sistema hidráulico de climatización, con una temperatura máxima de funcionamiento de 140 °F. Esta temperatura también está sujeta a los requisitos del Código Uniforme de Tuberías y del Código Internacional de Tuberías, que estipulan que cualquier descarga a receptores de desechos debe estar por debajo de 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 el agua por encima de 140 F (60 C) no debe descargarse directamente en un drenaje 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 atípicos. 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 varias ubicaciones desde una sala de bombas central. El acero inoxidable parece ser 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 estas 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 su inflamabilidad. 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 pertinente.
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, es necesario transportar el cloro puro y otros productos químicos desde las áreas de almacenamiento de materiales a granel y las salas de equipos especiales. Las tuberías de CPVC son resistentes a los productos químicos para el suministro de cloro, pero se pueden usar tuberías con alto contenido de ferrosilicio como alternativa a las tuberías para productos químicos al atravesar edificios no combustibles (p. ej., el Tipo 1A). Son resistentes, pero más frágiles que las tuberías estándar de hierro fundido y más pesadas que las tuberías comparables.
Este artículo analiza solo algunas de las múltiples posibilidades para diseñar sistemas de tuberías. Estas 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 determinado y evaluar los criterios adecuados 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. Infórmese sobre las recomendaciones y restricciones de plomería para tomar decisiones informadas sobre los productos que se instalarán en su proyecto. Nuestros clientes confían en nosotros como profesionales del diseño para proporcionar 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 plomería para diversos tipos de edificios, como oficinas comerciales, centros de salud y complejos hoteleros, incluyendo torres de gran altura para huéspedes y numerosos restaurantes.
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