METALVAM · INGENIERÍA HIDRÁULICA

Estanque amortiguador / acumulador hidroneumático

Predimensionamiento de estanques con gas compresible para protección contra golpe de ariete y almacenamiento presurizado de agua potable.

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Esquema funcional de hidropack y estanque hidroneumático

BOMBAQ [L/min]AIREAGUAPresostatoManómetroConsumoEstanque hidroneumático 1. Bomba enciende2. Presión máxima: OFF3. Consumo desde estanque4. Presión mínima: ON

Esquema conceptual: la membrana o vejiga separa físicamente el agua potable del gas; el esquema no representa conexiones de seguridad, antirretorno ni válvulas de aislamiento.

1. Datos de diseño

El intercambio requerido debe provenir de un análisis de transientes o una hipótesis justificada. No equivale al volumen total del recipiente.

2. Método y ecuaciones

Se trabaja con presiones absolutas: Pabs = Pgauge + Patm. El gas obedece P·Vⁿ = constante. Los volúmenes se consideran geométricos y no incluyen correcciones de elasticidad de vejiga.

3. Criterios de ingeniería

Resultados de predimensionamiento

—Volumen mínimo de estanque [L]
—Volumen útil estimado [L]
—Fracción utilizable [%]
—Gas en Pmín → Pmáx [L]

Visualización del acumulador

🟡 Gas: — L
🔵 Agua: — L
Presión: — barg
Modelo: politrópico

Animación ilustrativa del llenado/vaciado del estanque; no representa la solución temporal del golpe de ariete.

Curva presión – volumen de gas

Curva politrópica entre las presiones de operación. El eje horizontal indica volumen de gas [L] y el vertical presión manométrica [bar].

4. Funcionamiento del hidropack: cuatro etapas

1 · Llenado y presurización

Al descender la presión hasta el valor de arranque, la bomba impulsa agua hacia la red y el estanque. El agua desplaza la membrana y reduce el volumen del gas, aumentando su presión.

2 · Presión máxima: detención

Al alcanzar la presión de parada (por ejemplo, 40–50 psi manométricos), el presostato detiene la bomba. El estanque conserva agua a presión. Son valores ilustrativos, no obligatorios.

3 · Entrega de agua sin arranque

Cuando se abre una llave, el gas comprimido expulsa agua a través de la membrana. La presión disminuye progresivamente y evita que la bomba arranque por cada consumo pequeño.

4 · Presión mínima: reencendido

Al alcanzar la presión de arranque (por ejemplo, 20–30 psi manométricos), la bomba vuelve a encenderse y se repite el ciclo. La presión de precarga se mide con el estanque aislado y descargado de agua.

5. Formulación detallada y criterios de cálculo

A. Ley politrópica del gas (ambos modos)

Usar presiones absolutas y unidades coherentes. El gas cumple P·Vn = constante. A precarga, suponiendo membrana vacía de agua, Vg0 ≈ VT.

Pi,abs = Pi,man + Patm
Vg(P) = VT · (P0,abs / Pabs)1/n
Vagua(P) = VT − Vg(P)
f = (P0,abs/Pmin,abs)1/n − (P0,abs/Pmax,abs)1/n
Vútil = VT · f

B. Bomba de velocidad fija: límite de partidas por hora

Con demanda aproximadamente constante q (0 < q < Q), el estanque se vacía con q mientras la bomba está apagada y se recupera con caudal neto Q−q cuando está encendida. El tiempo del ciclo es:

tOFF = Vútil / q
tON = Vútil / (Q−q)
tciclo = Vútil · [1/q + 1/(Q−q)]
N = 60 / tciclo [partidas/h], con tiempo en minutos
Máximo N a q = Q/2 → Npeor = 15 Q / Vútil (Q en L/min; V en L)
Vútil,requerido = 15 Q / Nadm [L]
VT,requerido = Vútil,requerido · Freserva/ f

Importante: el máximo de partidas por hora no tiene un valor universal de 10. Debe obtenerse de la documentación del fabricante del motor y bomba, considerando potencia, tipo de arranque, ventilación, calentamiento y control. El valor de 10 partidas/h es únicamente una hipótesis editable de ejemplo. En bombas con variador, control de velocidad o una demanda variable importante, aplicar el criterio específico del fabricante.

C. Ejemplo resuelto: hidropack residencial o comercial

Datos: Q=80 L/min; Parranque=2,2 barg; Pparada=3,5 barg; precarga P0=2,0 barg; presión atmosférica 1,01325 bar; n=1,2; Nadm=10 partidas/h; reserva F=1,15.

Cálculo numérico de referencia: Vútil,req = 15×80/10 = 120 L; con reserva, 138 L.
f = [(3,01325/3,21325)^(1/1,2) − (3,01325/4,51325)^(1/1,2)] ≈ 0,234.
VT = 138/f ≈ 590 L. Debe seleccionarse un tamaño comercial igual o mayor y verificar precarga y límites de fabricante.

Como el volumen útil efectivo supera el volumen mínimo en el factor de reserva, la frecuencia teórica máxima es aproximadamente 10/1,15 = 8,70 partidas/h. A demanda de 40 L/min, el tiempo de llenado y vaciado será igual; cada uno ≈ 6,9 minutos con el volumen de diseño. El cálculo se basa en Q constante y no considera curvas reales de bomba ni volumen no aprovechable de la vejiga.

D. Amortiguador de transientes: enfoque preliminar

Cuando un estudio hidráulico entrega el volumen de intercambio de agua ΔV requerido entre presiones mínima y máxima, el volumen geométrico idealizado es:

VT = ΔV · Freserva / f

Ejemplo: ΔV=200 L, con idénticas presiones y F=1,15 → VT≈983 L. Este cálculo no demuestra que el estanque controle un golpe de ariete. La estimación de ΔV y los resultados de presión requieren análisis transitorio acoplado con la red, curva de bomba, válvulas, pérdidas de conexión, ubicación y condición de entrada/salida de aire o gas. Verificar sobrepresión, vacío, separación de columna y presión nominal del tanque.

E. Condiciones de selección y seguridad

Confirmar presión y temperatura admisibles, capacidad útil garantizada por el fabricante, compatibilidad de membrana con agua potable, protección contra sobrepresión, válvulas de corte y descarga, antirretorno, manómetro, presostato, condiciones sanitarias y mantenimiento. El recipiente debe ser apto para presión y disponer de la documentación y certificaciones aplicables.