Libro 3, La planta completa · Parte VII, capítulo 34. Índice del libro. Antes: tanque de gasoil.
Al terminar este capítulo vas a poder:
- Explicar cómo un colchón de aire mantiene la presión de una red de agua.
- Calcular cuántos arranques por hora hace tu bomba con el tanque que tenés.
- Calcular los litros de un tanque hidroneumático a partir del caudal y de las presiones.
- Decidir entre un tanque más grande y un variador de velocidad.
El caso: Empaque Valle Verde
Federico es el encargado de mantenimiento de Empaque Valle Verde, un galpón de empaque de fruta cerca de San Rafael, en Mendoza. La línea de lavado y los servicios se alimentan con una bomba de 7,5 kW que da 18 m³/h, un presostato regulado entre 3 y 5 bar y un tanque viejo de 300 litros.
En dos temporadas se quemaron dos motores. El bobinador le dijo a Federico que el problema no era la bomba. Inés, la gerente, quedó en cambiarla por una más grande, "para que no sufra tanto". Federico se quedó una mañana con el cronómetro al lado del tablero: en las horas de consumo parejo, la bomba arrancaba casi una vez por minuto.
Una bomba más grande iba a empeorar el problema. Lo que estaba mal era el tanque.
Cómo funciona
Un tanque hidroneumático es un recipiente cerrado con agua abajo y aire arriba. El aire es un resorte: el agua se puede comprimir muy poco, pero el aire sí. Funciona en un ciclo de cuatro pasos:
- La bomba arranca y mete agua en el tanque. El nivel sube y el aire se comprime.
- Cuando la presión llega al valor alto del presostato, por ejemplo 5 bar, la bomba para.
- Cuando se abre una canilla, el aire se expande y empuja el agua hacia la red, sin que la bomba trabaje.
- Cuando la presión baja al valor bajo, por ejemplo 3 bar, la bomba vuelve a arrancar.
Los litros que el tanque entrega entre esos dos puntos son su volumen útil. Ese volumen es el que le da descanso a la bomba. Lo demás, el agua que queda abajo y el aire que queda arriba, no se usa, y es la razón por la que un tanque hidroneumático parece grande para lo que entrega.
Por qué los arranques queman la bomba
Cada arranque directo de un motor toma varias veces su corriente normal, durante unos segundos, y esa corriente calienta el bobinado. Si los arranques son pocos, el motor se enfría entre uno y otro. Si son muchos, no llega a enfriarse: el barniz se degrada y el motor se quema. Se gastan además el contactor, el presostato y el acoplamiento, y la red sufre el golpe de presión en cada arranque.
Por eso cada motor tiene un máximo de arranques por hora. Depende del tamaño y del fabricante, y como orden de magnitud:
| Potencia del motor | Arranques por hora, orientativo |
|---|---|
| Hasta 3 kW | 15 a 20 |
| De 4 a 11 kW | 10 a 12 |
| De 15 a 45 kW | 6 a 10 |
Tabla 1. Orden de magnitud de la práctica. Manda lo que indica el fabricante de tu motor.
Cuántos arranques hace tu bomba
Acá viene lo que no es intuitivo. La bomba no arranca más cuando la red consume mucho, ni cuando consume poco. El peor caso es cuando el consumo es justo la mitad de lo que da la bomba. Con consumo muy bajo, el tanque tarda en vaciarse. Con consumo muy alto, tarda en llenarse. En el medio, las dos cosas son rápidas.
En ese peor caso, cada ciclo tarda 4 veces el volumen útil dividido el caudal. Entonces:
arranques por hora = caudal de la bomba (L/h) ÷ (4 × volumen útil (L))
Y al revés, para elegir el tanque:
volumen útil (L) = caudal de la bomba (L/h) ÷ (4 × arranques por hora admitidos)
Por eso una bomba más grande con el mismo tanque arranca más veces, no menos: el caudal está arriba de la división. Inés iba a empeorar exactamente lo que quería arreglar.
Del volumen útil a los litros del tanque
El tanque total es mucho más grande que el volumen útil, por dos motivos. Los dos salen de la ley de los gases: a temperatura constante, la presión absoluta por el volumen del aire no cambia. Presión absoluta es la del manómetro más 1 bar.
Primer motivo: el aire no se puede expandir tanto. Si la presión baja de 5 a 3 bar en el manómetro, es decir de 6 a 4 bar absolutos, la fracción del aire que se convierte en agua entregada es:
fracción de presión = 1 − (presión baja + 1) ÷ (presión alta + 1)
Con 3 y 5 bar: 1 − 4 ÷ 6 = 0,33. Solo un tercio del aire que hay a presión baja se aprovecha.
Segundo motivo: siempre tiene que quedar agua abajo. Si el tanque se vacía por completo, el aire se va por la cañería. Por eso, a presión baja, se deja un sello de agua de un 20 a un 30 % del tanque, y el aire ocupa el otro 70 a 80 %. Tomamos 75 %.
Juntando los dos:
litros del tanque = volumen útil ÷ (fracción de presión × 0,75)
Con 3 y 5 bar, la fracción total es 0,33 × 0,75 = 0,25: de cada cuatro litros de tanque, uno es útil. Si ampliás la diferencia del presostato, por ejemplo entre 3 y 6 bar, la fracción sube a 1 − 4 ÷ 7 = 0,43, y el tanque se achica. A cambio, la red trabaja con más variación de presión, y las máquinas y la bomba tienen que aceptarla.
El aire se va
Un detalle que explica muchos problemas: en un tanque sin membrana, el agua disuelve aire de a poco y se lo lleva. Con el tiempo, el tanque se va llenando de agua y el colchón se achica. Se dice que el tanque está inundado. El volumen útil cae, y la bomba vuelve a arrancar seguido, aunque el tanque sea el correcto.
Por eso un tanque de este tamaño necesita una forma de reponer aire: un pequeño compresor o un inyector de aire, y un visor de nivel para comprobarlo. Los tanques chicos suelen traer una membrana que separa el aire del agua, y entonces el aire no se pierde. En tanques grandes, lo habitual es el colchón directo con reposición.
Es un recipiente a presión
Un tanque hidroneumático no es un tanque común. Guarda energía: aire comprimido en un volumen grande. Por eso se calcula como recipiente a presión, según ASME VIII división 1, con cabezales torisféricos y no un fondo plano, en chapa para ese uso, como la ASTM A516 Gr.70. Los modelos del catálogo tienen una presión de diseño de referencia de 10 bar, y una prueba hidráulica a 1,3 veces esa presión, es decir 13 bar.
Eso trae tres reglas:
- Válvula de seguridad siempre, calibrada por debajo de la presión de diseño y descargando a un lugar seguro. No se anula ni se traba nunca.
- Nada de soldar ni modificar el tanque en obra. Una conexión agregada sin calcular invalida el cálculo y la prueba.
- Inspección periódica. Las exigencias de control de recipientes a presión varían según la provincia y la actividad: consultá las que te corresponden.
Tanque o variador de velocidad
Hoy hay otro camino: un variador de velocidad cambia las vueltas de la bomba para mantener la presión constante según el consumo. La bomba no arranca y para, sino que acelera y frena. Da una presión muy pareja y ahorra energía cuando la demanda varía mucho.
| Tanque hidroneumático grande | Variador con tanque chico | |
|---|---|---|
| Presión en la red | Varía entre dos valores | Casi constante |
| Arranques del motor | Pocos, si está bien calculado | Muy pocos, y suaves |
| Reserva sin bomba | Unos minutos con poco consumo | Casi nada |
| Mantenimiento | Reponer aire, purgar, inspeccionar | Electrónica, filtros, ventilación del tablero |
| Ambiente | Tolera polvo, calor y mala tensión | Pide tablero protegido y buena tensión |
Tabla 2. Comparación orientativa.
Un variador también necesita un tanque, aunque sea chico, para los consumos muy bajos: la bomba no puede girar despacio sin caudal, y tiene que poder parar. La decisión práctica es esta: si la demanda es muy variable y la presión pareja importa, conviene mirar el variador. Si la instalación es simple, en un lugar rural o con energía de mala calidad, el tanque bien calculado es difícil de superar.
Ejemplo resuelto: el tanque de Federico
Datos. Bomba de 18 m³/h (18.000 L/h), motor de 7,5 kW, presostato entre 3 y 5 bar, tanque actual de 300 L.
Paso 1. Lo que tiene hoy. Fracción total: (1 − 4 ÷ 6) × 0,75 = 0,25. Volumen útil: 300 × 0,25 = 75 L. Arranques en el peor caso: 18.000 ÷ (4 × 75) = 60 por hora. Coincide con lo que midió con el cronómetro: casi uno por minuto, y encima el tanque viejo debe estar inundado.
Paso 2. Lo admisible. Motor de 7,5 kW: según la tabla 1, entre 10 y 12 arranques por hora. Tomamos 10, del lado seguro.
Paso 3. El volumen útil necesario. 18.000 ÷ (4 × 10) = 450 L.
Paso 4. Los litros del tanque. 450 ÷ 0,25 = 1.800 L. El tanque del catálogo más cercano por encima es de 2.000 L.
Paso 5. La comprobación. Con 2.000 L: útil 2.000 × 0,25 = 500 L. Arranques: 18.000 ÷ (4 × 500) = 9 por hora. Bajan de 60 a 9.
Paso 6. Lo que no se hace. Con una bomba más grande, de 30 m³/h, y el mismo tanque de 300 L, los arranques subirían a 30.000 ÷ 300 = 100 por hora. Se confirma lo que dijo el bobinador: la bomba no era el problema.
Paso 7. El detalle de la obra. El tanque se instala con un compresor chico para reponer aire, un visor de nivel, un manómetro, un presostato nuevo, una válvula de seguridad y una válvula de cierre para aislarlo. Los instrumentos no vienen con el tanque, y hay que pedirlos aparte. Pesa unos 650 kg en acero al carbono, lleno unos 2.650 kg sobre cuatro patas: va sobre un dado de hormigón o una platea, como vimos en el capítulo 32.
Ejercicios
Ejercicio 1 (cálculo): una bomba chica
Una bomba de 6 m³/h con motor de 2,2 kW trabaja entre 2,5 y 4,5 bar. Admitimos 15 arranques por hora. Calculá el volumen útil y los litros del tanque.
Solución
Volumen útil: 6.000 ÷ (4 × 15) = 100 L. Fracción de presión: 1 − 3,5 ÷ 5,5 = 0,364. Fracción total: 0,364 × 0,75 = 0,273. Tanque: 100 ÷ 0,273 = 366 L. Con 400 a 500 L queda con margen, y es una medida para la que conviene una opción con membrana.
Ejercicio 2 (diagnóstico): la bomba que empezó a arrancar seguido
Un tanque de 2.000 L, calculado para 9 arranques por hora, anduvo bien tres años. Ahora la bomba arranca cada dos minutos. El presostato está bien regulado y el motor está sano. El manómetro baja muy rápido al abrir una canilla. ¿Qué mirás primero?
Solución
El visor de nivel. Todo indica un tanque inundado: el aire se fue disuelto en el agua, el colchón se achicó y con él el volumen útil. Se repone el aire y se revisa lo que debía reponerlo (compresor, inyector o válvula de retención). Recién después hay que mirar las pérdidas de aire por conexiones. Cambiar el presostato o la bomba no lo soluciona.
Ejercicio 3: Para tu planta
Medí tu instalación:
- Con un cronómetro, contá los arranques en una hora de consumo parejo. Anotá también el caudal de la bomba y su potencia, de la chapa.
- Anotá las presiones del presostato y la capacidad del tanque.
- Calculá el volumen útil y los arranques teóricos, y comparalos con los que contaste. Si contaste muchos más, mirá el visor: probablemente esté inundado.
- Compará con el máximo del fabricante de tu motor.
- Revisá que tengas válvula de seguridad, y cuándo se probó por última vez.
Errores comunes
- Cambiar la bomba por una más grande. Más caudal con el mismo tanque es más arranques.
- Regular el presostato con poca diferencia. Da una presión linda y deja el tanque con muy poco volumen útil.
- No reponer el aire. El tanque correcto se transforma en un tanque chico, de a poco y sin avisar.
- Usar un tanque atmosférico como si fuera de presión. Un tanque común con fondo plano no está calculado para esto, y es peligroso.
- Anular la válvula de seguridad porque "gotea". Si gotea, se cambia. Es lo único que protege el tanque si falla el presostato.
Qué máquina corresponde
El catálogo tiene el tanque de la escala de Federico en los dos materiales, con datos de ficha. La presión de diseño de referencia es de 10 bar y se ajusta a tu instalación; los instrumentos no están incluidos.
- Red industrial o de servicios: tanque hidroneumático de 2.000 litros en acero al carbono, Ø1.100 × 2.400 mm, chapa ASTM A516 Gr.70 de 8 mm, 650 kg.
- Agua potable o sin mantenimiento de pintura: tanque hidroneumático de 2.000 litros en acero inoxidable, chapa SA-240 tipo 304 de 6 mm, 510 kg.
- La reserva que va antes de la bomba: tanque acumulador de 10.000 litros, Ø2.300 × 2.400 mm, 1.120 kg, o el tanque de agua potable de 25.000 litros, Ø3.200 × 3.100 mm, 2.100 kg.
Resumen en cinco líneas
- El colchón de aire entrega agua entre dos presiones, y ese volumen útil es el que deja descansar a la bomba.
- El peor caso de arranques ocurre cuando el consumo es la mitad del caudal de la bomba.
- Volumen útil = caudal ÷ (4 × arranques admitidos), y una bomba más grande con el mismo tanque arranca más.
- Con 3 y 5 bar, solo un litro de cada cuatro del tanque es útil, y por eso el tanque parece grande.
- El aire se pierde y hay que reponerlo, y al ser un recipiente a presión lleva válvula de seguridad e inspección.
Preguntas de repaso
1. ¿Por qué con consumo intermedio la bomba arranca más que con consumo muy alto? Porque con consumo alto el tanque tarda en llenarse, y con consumo bajo tarda en vaciarse. Con la mitad del caudal, las dos cosas pasan rápido y el ciclo es el más corto.
2. ¿Qué pasa si ampliás la diferencia del presostato de 3-5 a 3-6 bar? Sube el volumen útil del mismo tanque y bajan los arranques. A cambio, la red trabaja con más variación de presión, y hay que comprobar que la bomba y las máquinas la acepten.
3. ¿Por qué un tanque que funcionaba bien empieza a hacer arrancar seguido a la bomba? Lo más probable es que esté inundado: el agua disolvió el aire y el colchón se achicó. Se revisa el visor y se repone el aire.
4. ¿Por qué se calcula como recipiente a presión? Porque guarda aire comprimido, es decir energía. Una falla puede ser violenta, y por eso lleva cabezales, chapa, cálculo y prueba hidráulica específicos.
5. ¿Por qué un variador también necesita un tanque chico? Porque con consumos muy bajos la bomba no puede girar despacio sin caudal. Tiene que parar, y el tanque da esos pocos litros mientras tanto.
Conceptos clave
- Colchón de aire: el aire comprimido en la parte alta del tanque, que empuja el agua hacia la red.
- Volumen útil: los litros que el tanque entrega entre la presión alta y la baja.
- Presostato: interruptor que arranca y para la bomba según la presión.
- Presión absoluta: la presión del manómetro más 1 bar; es la que se usa en la cuenta del aire.
- Sello de agua: el agua que siempre queda en el tanque, para que el aire no se vaya por la cañería.
- Tanque inundado: tanque que perdió el aire y se llenó de agua, con muy poco volumen útil.
- Recipiente a presión: tanque calculado y probado para trabajar por encima de la presión atmosférica.
- Variador de velocidad: equipo que regula las vueltas del motor para mantener la presión.
Referencias
- ASME. Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1: Rules for Construction of Pressure Vessels.
Lo que sigue
Con este capítulo se cierra la parte de tanques. Volvé al índice del libro para seguir con el resto de la planta. Si tu bomba arranca demasiado, mandanos el caudal, la potencia y las presiones y calculamos con vos el tanque que corresponde.
