clasificaciÓn del flujo en canales abiertos
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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOSEl flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio de los parámetros profundidad, velocidad, área etc. del flujo con respecto al tiempo y al espacio.
La clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera:
A. Flujo permanente
1. Flujo uniforme
2. Flujo variado
a. Flujo gradualmente variado
b. Flujo rápidamente variado
B. Flujo no permanente
1. Flujo uniforme no permanente (raro)
2. Flujo variado no permanente
a. Flujo gradualmente variado no permanente
b. Flujo rápidamente variado no permanente
a) Flujo permanente y flujo no permanente.
El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal
en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:
Si los parámetros cambian con respecto al tiempo el flujo se llama no permanente, es decir:
En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo, si el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente.
b) Flujo uniforme y flujo variado.- Esta clasificación obedece a la utilización del espacio como variable. El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:
Si los parámetros varían de una sección a otra, el flujo se llama no uniforme o variado, es decir:
Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.
Flujo uniforme permanente: La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos.
Figura 1.7 Flujo uniforme permanente.
Flujo uniforme no permanente: El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal, como esta es una condición prácticamente imposible, Flujo uniforme no permanente es poco frecuente (raro).
Figura 1.8 Flujo Uniforme no permanente
El flujo variado puede clasificarse como rápidamente variado o gradualmente variado.
Flujo rápidamente variado: El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, como es el caso del resalto hidráulico.
Figura 1.9 Flujo Rápidamente Variado.
Flujo gradualmente variado: El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso.
Figura 1.10 Flujo Gradualmente Variado.
Figura 1.11 Flujo Variado
Fig. 1.13 Flujo gradualmente acelerado
Fig. 1.12 Flujo gradualmente retardado
El flujo gradualmente variado puede ser acelerado o retardado. El primero se presenta cuando los tirantes en la dirección del escurrimiento van disminuyendo (figura 1.12) y el segundo, llamado también remanso (fig.1.13) existe cuando sucede el fenómeno contrario. Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un vertedor o cualquier obstrucción semejante, como se indica en la (figura 1.14).
Figura 1.14 Canal con flujo de retraso gradual llamado curva de remanso.
COMPARACIÓN ENTRE FLUJO EN TUBERÍAS Y FLUJO EN CANALES ABIERTOSEl flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica. El flujo en tubería, al estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera directa sino sólo a la presión hidráulica.
El flujo de un fluido en un canal se caracteriza por la exposición de una superficie libre a la presión atmosférica. El agua que fluye en un canal se ve afectada por todas las fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo, con la adición de las fuerzas de gravedad y de tensión superficial que son la consecuencia directa de la superficie libre.
Las dos clases de flujo se comparan en la Figura 1.6. A la izquierda de ésta se muestra el flujo en tubería. Dos piezómetros se encuentran
instalados en las secciones (1) y (2) de la tubería. Los niveles de agua en estos tubos se mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas por la línea conocida como línea de gradiente hidráulico. La presión ejercida por el agua en cada sección del tubo se indica en el tubo piezométrica correspondiente, mediante la altura d de la columna de agua por encima del eje central de la tubería. La energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la suma de la elevación Z del eje central de la tubería, la altura piezométrica (d) y la altura de velocidad V²/2g, donde V es la velocidad media del flujo (aquí se supone que la velocidad del canal está uniformemente distribuida a través de la sección del conducto.
En la figura la energía está representada por la línea conocida como línea de energía. La pérdida de energía que resulta cuando el agua fluye desde la sección (1) hasta la sección (2) está representada por hf. Un diagrama similar para el flujo en canal abierto se muestra en la parte derecha de la Figura 2-1. Se supone que el flujo es paralelo y que tiene una distribución de velocidades uniforme y que la pendiente del canal es pequeña. En este caso, la superficie de agua es la línea de gradiente hidráulico, y la profundidad del agua corresponde a la altura piezométrica.
Figura 1.6 comparación entre flujo en tubería y flujo en canales abiertos.
Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales:
o La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en la sección del canal son constantes.
o La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos; es decir, sus pendientes son todas iguales, o Sf = Sw = Sc = S
Se considera que el flujo uniforme es sólo permanente, debido a que el flujo uniforme no permanente prácticamente no existe. En corrientes naturales, aún el flujo uniforme permanente es raro, debido a que en ríos y corrientes en estado natural casi nunca se experimenta una condición estricta de flujo uniforme. A pesar de esto, a menudo se supone una condición de flujo uniforme para el cálculo de flujo en corrientes naturales.
El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades muy altas, ya que atrapa aire y se vuelve muy inestable.
CONCEPTOS Y ELEMENTOS DE UN CANALDespués del aire que respiramos, el agua es el elemento más esencial para el hombre. Sin el agua, la vida animal o vegetal sería imposible. También es un medio eficiente de transferencia de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce.
Desde hace por lo menos 5000 años el hombre ha inventado y construido obras para el aprovechamiento del agua; entre las más antiguas están los CANALES, usados para llevar el agua de un lugar a otro.
DEFINICIÓN
Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso. (Figura 1.1).
Figura 1.1. Flujo en conductos.
CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES
De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:
a) Canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variable durante su recorrido (Fig.1.2a, b y c), lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los lechos.
Figura 1.2a Sección transversal irregular.
Figura 1.2b. Sección transversal irregular.
Figura 1.2c. Sección transversal irregular río “Matamba”, Cuicatlan.
b) Canales artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio. Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más comunes son las siguientes:
Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos.
Sección rectangular: Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.
Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras.
Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. (Fig.1.3, 1.4 y 1.4.a).
SECCIONES CERRADAS
Sección circular: El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano.
Sección parabólica: Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.
Fig. 1.4a canal artificial de Secciones transversales trapecial.
La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del tipo de canal por construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular en canales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como las anteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad.
CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIÓN
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:
o Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos (cerros).
o Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
o Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomas granjas.
ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LOS CANALES :
Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra en la fig.1.5.
Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes.
Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.
Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m.
Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material (Θ) , es decir m=x/d y depende del tipo de material en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1.
Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material en que se aloje el canal (ver Tabla 2).
Pendiente (S) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.
Área hidráulica (A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m2 .
Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m.
Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P, en m.
Ancho de la superficial o espejo del agua (T): es el ancho de la superficie libre del agua, expresado en m.
Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua . dm=A/T, se expresa m.
Libre bordo (Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la corona del bordo, se expresa en m.
Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad de tiempo, y se expresa en m3 /s.
Velocidad media (V) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s.
Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: Es el producto del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.
Tabla 1. Taludes apropiados para distinto tipos de materiales en el diseño de canales.
Material Talud Valor de
Roca ligeramente alterada 0.25:1 75º 58’
Mampostería 0.4:1 y 0.75:1 68º 12’
Roca sana y tepetate duro 1:1 45º
Concreto 1:1 ó 1.25:1 45º y 38º 40’
Tierra arcillosa, arenisca, tepetate blando 1.5:1 33º
Material poco estable, arena, tierra arenisca. 2:1 26º
Tabla 2. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning para ser aplicado en su ecuación.
Tipo de Material
Valores
Mínimo Normal Máximo
Roca (con saliente y sinuosa) 0.035 0.040 0.050
Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.040
Tierra 0.017 0.020 0.025
Mampostería seca 0.025 0.030 0.033
concreto 0.013 0.017 0.020
Polietileno (PVC) 0.007 0.008 0.009
Información adicional
Escrito por: Pedro Rodríguez Ruiz
INSTALACIONES - Instalación de Pararrayos: Sistema de protección contra rayos (SPCR). Memoria técnica.GeneralidadesEl calculo que aquí se indica corresponde a una vivienda multifamiliar ubicada en la Ciudad de Buenos Aires de 17,5m de altura. Se utilizó el método de cálculo y tablas según reglamentación vigente (Código de Edificación Gobierno Ciudad de Buenos Aires).
Clasificación de la estructuraSegún la reglamentación vigente, el proyecto clasifica como "Estructura común / Vivienda". En este caso, los efectos de los rayos comprenden: perforación de la aislación de las instalaciones eléctricas, incendio y daños materiales; por lo general, los daños se limitan a los objetos expuestos en el punto de impacto o en la trayectoria del rayo.
Procedimiento de elección de un SPCR
Debemos obtener los valores correspondientes a Nd y Ncpara responder la pregunta que se nos plantea:¿Es Nd Nc? Así podremos establecer si la protección es innecesaria (respuesta = SI) o necesaria (respuesta = NO. En este último caso se establecerá el nivel de protección adecuado y las dimensiones del SPCR).1. Determinación de Nc (Nc=frecuencia aceptada de rayos sobre una estructura). Se estima el valor Nc a través del riesgo de daños teniendo en cuenta:
- el tipo de construcción de la estructura (C2) (estructura y techado común)- el contenido de la estructura (C3) (de valor común o normalmente inflamable)- la ocupación de estructura (C4) (normalmente ocupada)- las consecuencias sobre el entorno (C5) (con necesidad de continuidad en el servicio y con algunas consecuencias para el entorno)
- y aplicando la fórmula Nc = 5,5 . 10-3/C [rayos/año]
- donde C2=1, C3=1, C4=1 y C5=5 (según tablas B-1, B-2, B-3 y B-4) y se obtiene:
C = C2 . C3 . C4 . C5 C = 1 . 1 . 1 . 5C = 5
- Frecuencia aceptada de rayos sobre una estructura (Nc)
Nc = 5,5 . 10-3/C [rayos/año] (reemplazamos en la fórmula)Nc = 5,5 . 10-3/5 [rayos/año]Nc = 0,011 [rayos/año] 2. Determinación de Nd. Se evalúa la frecuencia anual promedio Nd de rayos directos en una estructura:
- aplicando la fórmula Nd = C1 . Ng . Ae . 10-6 [rayos directos / año]
- donde C1 = coeficiente ambiental que rodea a la estructura considerada
según tabla: C1 = 0,5 (estructura rodeada de otras estructuras más pequeñas alturas < H)
- donde Ng = densidad anual promedio de rayos de tierra, en rayos por kilómetro cuadrado y por año, propia de la región donde está localizada la estructura
Ng = 0,04 . Td1.25 [rayos a tierra / km² . año] (reemplazamos en la fórmula)Ng = 0,04 . 61.25 [rayos a tierra / km² . año]Ng = 0,37 [rayos a tierra / km² . año]
donde Td = cantidad de días de tormenta por año obtenida a partir de mapas isoceraúnicos (Td = 4 a 6 para Bs. As. según tabla)
- Ae = área colectora equivalente de la estructura sola (m²)
Ae = L . A + 6H (L + A) + 9 H² (reemplazamos en la fórmula)Ae = 28m . 17,32m + 6 . 18m (28m + 17,32m) + 9 (18m)²Ae = 14535,76 [m²]
- Frecuencia anual promedio de rayos directos en una estructura (Nd)
Nd = C1 . Ng . Ae . 10-6 [rayos directos / año] (reemplazamos en la fórmula)
Nd = 0,5 . 0,37 . 14535,76 . 10-6 [rayos directos / año]Nd = 0,027 [rayos directos / año] 3. Utilización del diagrama de flujo del procedimiento de elección de un SPCR
- ¿Es Nd Nc? SI, ya que Nd = 0,027 y Nc = 0,011
- En consecuencia, del diagrama de flujo se deduce: Protección Innecesaria
- En el caso contrario, si la respuesta fuera NO debería calcularse Ec (eficiencia necesaria)
Ec = 1 - [Nc / Nd]Ec = 1 - [0,011 / 0,027]Ec = 0,59
- donde E (eficiencia real del SPCR adoptado) debe ser mayor o igual que la Ec (eficiencia necesaria)
RESOLUCIÓN DEL DIAGRAMA DE FLUJO PARA EDIFICIO VIVIENDAS
4. Elección del SPCR
- Del proceso de elección de un SPCR se deduce: Protección innecesaria. Sin embargo se emplazará un pararrayos en el edificio a modo de prevención. El mismo consta de:
- Elemento de captación: lanza o punta receptora de acero inoxidable.- Cable de bajada: cable de bajada conductor de cobre 70mm2.- Toma de tierra: jabalina de 16 x 1500 de acero/bronce o acero/cobre x 1.
- La puesta a tierra del pararrayos se realiza utilizando una jabalina de 16 x 1500. El pararrayos consta de tres partes: elemento de captación (punta o lanza ubicada en azotea), cable de bajada (conductor de cobre de 70mm2) y toma de tierra (jabalina). Se utiliza el método del "cono de protección" para calcular la zona protegida por el pararrayos. Tal método estima que una barra
conectada a tierra protege una zona incluida dentro de un cono de protección cuyo vértice está en la punta de la barra y que tiene como base una circunferencia que rodea la misma. La abertura del cono de protección se estima entre 30º y 60º, adoptándose 45º de modo tal que se proteja todo el edificio.
Método del Cono de Protección
A Cabeza del captorB Plano de referenciaOC Radio del área protegidaht Altura del captor arriba del plano de referencia
Angulo de protección
Método de la Esfera Ficticia- Realización de la puesta a tierra. La forma de ejecución de la toma de tierra dependerá generalmente de la resistividad eléctrica del terreno y de las dificultades de instalación para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo más empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con jabalinas enterradas verticalmente en el terreno, generalmente de 1,5 a 3 metros de longitud. La metodología usual para la elección de las jabalinas de puesta a tierra, se puede resumir en:
1º) Medir, la resistencia del terreno en el lugar donde se instalará la puesta a tierra.2º) Aplicar la relación aproximada entre la resistividad eléctrica del terreno Gt (Ohm . m) y el largo L de la jabalina (acero - cobre)
Rt = 0,33 Gt para jabalinas de 3 mRt = 0,55 Gt para jabalinas de 1,50 mRt = Gt / L para jabalinas de otras longitudes
Cuando con una única jabalina no se alcanza la Rt deseada se debe considerar el uso de varias jabalinas unidas entre sí por un conductor de Cu de 50 mm² y enterrado a 60 mm. de profundidad, separadas a una distancia tal que no produzcan interferencias entre sí mismas. La separación mínima de jabalinas que se suele emplear para tal fin es de 2,5 veces el largo de jabalina utilizada. Para el caso en, que por la separación necesaria de jabalinas que exige un dispersor, no sea posible tener la superficie de terreno suficiente, se recomienda el uso de mallas, permitiéndose la soldadura puente a electrodos naturales del edificio.
5. Consideraciones generales de los SPCR
Debe tenerse en cuenta, que un sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas no puede impedir la formación de rayos. Además tal sistema no garantiza en forma absoluta la protección de la vida, bienes y estructura, pero si reducirá en forma significativa el riesgo de los daños producidos por el rayo.
Definiciones:
1) Sistema de Protección contra el Rayo (SPCR): Es un sistema completo que permite proteger una estructura contra los efectos del rayo. Consta de un sistema externo y de un sistema interno de protección contra el rayo. En casos particulares, un SPCR podrá estar formado solamente por un sistema externo o por un sistema interno.
A) Sistema Externo: Comprende un dispositivo captor (terminal aéreo), las bajadas y un sistema de puesta a tierra.
A1) Dispositivos Captor: La probabilidad de que un rayo penetre en el espacio a proteger se reduce considerablemente con la presencia de un dispositivo captor bien diseñado.
A11) Angulo de Protección << Método elegidoA12) Esfera Rodante o ficticia
B) Sistema Interno: Comprende todos los dispositivos complementarios al anterior (A) con el objeto de reducir los efectos electromagnéticos (voltajes inducidos) de la corriente de rayo dentro del espacio a proteger.
2) Tipos de Instalación de Protección con relación al volumen a proteger:
a) Sistema de Protección separado del volumen a proteger. Los captores y las bajadas están ubicados de tal manera que el trayecto de la descarga no tiene ningún contacto con el volumen a proteger y evita las descargas laterales.
b) Sistema de protección parcialmente separado del volumen a proteger. Los captores están ubicados de tal manera que el trayecto de la descarga atmosférica no tiene ningún contacto con el volumen a proteger e impide las descargas laterales, pero sin que los conductores de bajada estén aisladas (separados) de tal volumen.
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FONTANERIA ACS
VIII. CÁLCULO DE CALDERA Y ACUMULADOR
______________________________________________
1 RECOMENDACIONES.
En instalaciones centralizadas, en general, se debe limitar la temperatura de almacenamiento a 58º C, debiendo distribuirse a una temperatura máxima de 50º C medidos a la salida del depósito acumulador. En cuarteles, colegios, etc. se establece la temperatura de 42º C medidos a la entrada de la red de distribución.
Asimismo se precisa que la capacidad de acumulación deberá ser importante, debiendo dimensionarse con un tiempo de preparación de, al menos, tres horas.�
El uso de sistemas de producción instantánea en instalaciones centralizadas deberá justificarse en cada caso.
Conviene no instalar instalar grupos térmicos MIXTOS para potencias superiores a 50 kw. (43.859 k cal/h.) a no ser en condiciones especiales. Por encima de los 50 kw. hay, en principio, que instalar 2 calderas, salvo que la misma tengan aparte y compartimentadas las dos funciones de calentamiento junto con un sistema de regulación preferencial para el ACS.
2 PROCEDIMIENTO GENERAL.
2.1 Conceptos.
En los sistemas centralizados se llaman temperatura de preparación tp a la temperatura máxima que alcanza el agua en el acumulador por la acción de la caldera; ésta es mayor que la temperatura de utilización tu (o de salida hacia la distribución), debido a que aquella, con motivo del gasto; se mezcla en la caldera con agua fría a presión procedente de la red, a temperatura te. Es por ello que se llaman también sistemas por mezcla.� �
En los cálculos que se van a desarrollar hay que distinguir claramente los períodos puntas de consumo de los periodos valles. La base del funcionamiento de los sistemas centralizados consiste en que en los periodos valles se vaya preparando agua caliente, de modo que puedan satisfacerse las necesidades de los períodos puntas, en los que la caldera sería insuficiente para proporcionar el número de calorías requerido. De este modo se consiguen instalaciones eficaces con consumos energéticos racionales de acuerdo con el espíritu y la letra del RICC -ACS ..
2.2 Nomenclatura.
En las fórmulas que siguen utilizaremos los siguientes conceptos, nomenclaturas unidades.
te = temperatura de entrada del agua fría en el acumulador (ºC).
tp = temperatura de preparación (ºC).
tu = temperatura de utilización del ACS (ºC).
--------
G = gasto diario de ACS del edificio (l.)
QMp = caudal medio en los períodos punta (l/seg)
QMv = caudal medio en los períodos valle (l/seg).
--------
hp = duración de cada período que consideramos como punta (seg)
hv = duración de cada período que consideramos como valle (seg)
--------
H = tiempo del día en que se considera el funcionamiento de la caldera (seg).
Hp = tiempo total de períodos puntas (seg).
Hv = tiempo total de períodos valle (=H - Hp), (seg).
-------
C = energía de la caldera consumida en un cierto período (k calorías).
J = energía de la caldera consumida en un cierto período (k julios).
P = potencia útil de la caldera (kw).
V = volumen del acumulador (ls).
NOTAS RECORDATORIAS.-
Unidades de potencia:
1 kw = 1 k julio/seg
1 kw = 860 k caloría/hora
Unidades de trabajo o energía:
1 k caloría = 4,18 k julios.
2.3 Obtención de datos previos.
A efectos simplificatorios se considera que los caudales y duraciones de los distintos períodos puntas del día son iguales entre sí. La misma simplificación se hace con respecto a los períodos valle.
CAUDALES.
QMp caudal medio de los periodos puntas .-
Se obtiene como dato, según el tipo de edificio.
QMv caudal medio de los períodos valle.
Si el gasto diario de los períodos punta es QMp x Hp y el total del día es G, el gasto en los períodos valle será G - QMp x Hp . Por consiguiente el caudal medio de los períodos valle será:
B) COMPUTO DE ENERGÍAS EN UN CICLO "PREPARACIÓN CONSUMO".
Energías de preparación.
Según lo expuesto en el punto 2.1 hallemos primeramente en k julios la energía de preparación, que será la que necesitamos para llevar la temperatura del acumulador hasta tp .
Desglosemos dicha energía J en dos escalones: JA y JB .
JA.- Energía que hay que suministrar para que el agua del acumulador alcance la temperatura tu.
En virtud de que se trata de un sistema con acumulación en cualquier momento el agua a calentar está compuesta por un porcentaje de "agua nueva" y otro de agua que ya ha sido calentada. Experimentalmente se establecen dichos porcentajes en 60 y 40. Así pues
JA = 4,18 x 0,6 V (tu t� e); siendo V el volumen del acumulador en litros
JB.- Energía que hay que suministrar para que el agua del acumular suba de tu a t p.
JB = 4,18 V (tp t� u)
TOTAL ENERGIA DE PREPARACIÓN: JA + JB = 4,18 v (tp 0,4 t� u 0,6 t� e) 1
Energía de Consumos.
Igualmente, expresadas en k julios
Energía consumida en un período punta:
4,18 (tu t� e) QMp x hp
Energía consumida en un período valle:
Superávits y déficits de energía.
Partamos de la hipótesis óptima, en la que se plantea que la caldera de potencia P, tiene un funcionamiento ininterrumpido y que, por tanto, en los periodos valles producirá el siguiente superávit de energía:
2
llamada ENERGIA DE ACUMULACIÓN.
Por su parte en los periodos puntas se producirá el siguiente déficit de energía:
4,18 (tu t� e) QMp x Hp - P x hp 3
2.4 Planteamiento y solución.
Con los datos anteriores basta expresar numéricamente los principios en que se basa el funcionamiento del binomio caldera acumulador para obtener tanto P como V con el �máximo ahorro energético.
El primer principio dice así:
"La producción de energía en los períodos valles (también llamados de preparación) deben estar destinados en su totalidad a constituirse en energía de acumulación" .
Igualando, pues, 1 y 2 tenemos:
4
El segundo principio puede enunciarse de la siguiente manera:
"Tal cantidad de energía de acumulación debe compensar el déficit de energía que se produzca en los períodos puntas".
Igualando, entonces, 1 y 3 tenemos:
4,18 V (tp 0,4 t� u 0,6 t� e) = 4,18 (tu t� e) QMp x hp - P X hp 5
Despejando P y V de 4 y 5 obtenemos:
Fórmulas que nos dan la potencia útil o aprovechada de la caldera y el volumen del acumulador, sobre las que hay que hacer las siguientes consideraciones:
1. Tanto los términos del planteamiento general como la anterior expresión [5 nos determina que, establecido una cierta demanda media punta, QMp, a mayor potencia P de la caldera corresponderá menor capacidad V del acumulador, y recíprocamente.
2. Durante el ciclo normal producción-acumulación se calcula en un 15% las pérdidas de calor por difusión en la caldera y circuito primario, mientras que tal pérdida puede estimarse en un 10% con respecto al acumulador, lo que totaliza un 25% de la producción.
Igualmente; dadas las normales distorsiones de consumos de algún período puntas respecto a los promedios previstos, se hace aconsejable aumentar P en otro 15%, con lo que, junto con lo anterior quedaría que P* (potencia a instalar) = 1,4 P.
2.5 Cuadro para los cálculos de P y V, referido a diferentes edificios.
TIPO
DE EDIFICIO
NECESIDADES DE ACS DEMANDA
PUNTA
HORARIA
hv
(horas)
hp
(horas)
Hv
(horas)
Hp
(horas)
H
(horas)
viviendas 60-120 l por persona y día 1/10 G 4 2 12 6 18Hoteles 75-150 l por persona y día
(sin lavandería y sin restaurante)
1/8 G 4 2 12 6 18
Hospitales 150 l por persona y día (sin lavandería y sin restaurante)
1/8 G 4 2 12 6 18
Oficinas
(turno
único)
7,5 l por persona y día 1/4 G 4 1 8 2 10
Fábrica e
Internados
20 l por persona y día (sin lavandería y sin restaurante)
1/3 G 3 1 6 2 8
Restau-
rante de
Dos Turnos
(tu = 80)
7 l por comida 1/6 G 4 2 8 4 12
Lavanderías
(tu = 80º)
Normales: 30-50 l/kg ropa
Hospitales: 60-80 l/kg
ropa
(1,5-2,5 kgs/ropa/
persona/día)
G
-----
Hp
(*) (*) (*) (*) 10
(*) Según programación laboral del centro
Al cuadro anterior procede añadir lo siguiente:
Se estimará te entre 9º y 12º, según regiones.
Se acotará tp y tu dentro de límites , no bajando tu de 45º, por correrse el riesgo de llegar con menos de 42º (temperatura mínima de utilización) al punto más alejado.
Las cocinas colectivas y lavanderías demandan agua a mayor temperatura (tu = 70 a 80º), por lo que se utilizarán equipos diferentes a los del ACS, o bien se recurrirá a un postcalentamiento.
A titulo ilustrativo se grafía un diagrama horario del gasto de ACS de un edificio de viviendas (línea continua) y su traducción gráfica a los parámetros de cálculo que hemos adoptado en el cuadro anterior (línea discontinua).
2.6 Ejemplo.
Hotel de 500 camas. Caldera y acumulador para los baños de huéspedes:
G = 500 x 150 l = 75.000 l de ACS
QMp = (1/8)x 75.000 = 9.375 l/h = 2,60 l/seg
hv = 4 horas = 14.400 seg te = 10º C
hp = 2 horas = 7.200 seg tp = 56º C
Hp = 6 horas = 21.600 seg tu = 48º C
H = 18 horas = 64.800 seg
P* (potencia a instalar) = 1,4 x 183,84 = 257,38 kw = 221.347 k cal/h
3 TABLAS EMPIRICAS.
Existen numerosas tablas que facilitan la adopción inmediata de caldera y acumulador. No obstante hay que hacer la salvedad que - en general - no se atienen a las pautas y limitaciones de temperatura que señalan el RICC - ACS, tendentes a la conservación de la energía. Por estas razones los resultados que se obtienen, sobre todo para la potencia de la caldera suelen ser más altos que los obtenidos con las fórmulas anteriores.
3.1 Tablas americanas.
Una de las publicaciones más prestigiosas Heating, Ventilating, Air Conditioning Guide� � pública la tabla que reproducimos a continuación:
Clase de edificio
Agua caliente
necesaria en litros por persona y
día
Consumo máximo
horario en relación al consumo
diario
Duración del período de consumo máximo (horas)
Depósito
Capacidad de almacena
miento en relación al consumo
diario
Caldera
Capacidad horaria del
calentador en relación al consumo diario *
Viviendas, apartamentos, hoteles 150 1/7 4 1/5 1/7Oficinas 7,5 1/5 2 1/5 1/6Fábricas y talleres 20 1/3 1 2/5 1/8Restaurantes 7 litros por
comida y día- - 1/10 1/10
Restaurantes
(tres comidas diarias)
1/10 8 1/5 1/10
Restaurantes
(Una comida diaria)
1/5 2 2/5 1/6
* Para obtener la potencia de la caldera en k cal/h multiplíquese los litros obtenidos según la tabla por tu t� e .
3.2 Tablas N.T.E.
Tabla 11 Número de grifos servidos por el acumulador
Uso del edificio
Público
13 20 27 33 50 66 100 135 190 327 475 640 1.000
1.350
Privado
20 30 40 50 75 100 150 200 300 500 750 1.000
1.500
2.000
C en litros
750 1.000
1.250
1.500
2.050
2.500
3.400
4.300
6.000
9.400
13600
17800
26200
34600
P en kcal/h21560
28700
35940
43125
58940
71875
97750
123625
172500
270250
391000
511750
753250
994750
3.3 Ejemplos.
Desarrollaremos, a título comparativo, el ejemplo anterior, según las dos tablas señaladas.
3.3.1 Según tablas americanas.
(1) Consumo diario.
500 x 150 l = 75.000 l.
(2) Máximo consumo horario.
75.000 l / 7 = 10.714 l.
(3) Duración del período punta : 4 horas
Consumo en el período punta 4 x 10.714 l = 42.858 l
(4) Capacidad del acumulador.
75.000 l / 5 = 15.000 l.
(5) Capacidad horaria del calentador.
75.000 l / 7 = 10.714 litros, lo que supone una potencia
P* = 10.714 (60º - 10º) = 535.700 k cal/h
Según autores los datos tabulados se basan en el siguiente simple planteamiento:
La producción de la caldera con la ayuda del agua acumulada debe poder contrarrestar el consumo de todo un período punta, con la salvedad de que en el acumulador debe quedar, aproximadamente, 1/3 de energía calorífica para poder afrontar con garantías el subsiguiente período valle. Comprobémoslo con el ejemplo anterior:
Duración del período punta y consumo en dicho período, según (3): 4 horas y 42.858 l, respectivamente.
Capacidad del acumulador, según (4) : 15.000 l.
Aportación del acumulador en período punta: 2/3 de 15.000 = 10.000 l.
Capacidad de producción horaria necesaria del calentador en período punta:
(42.858 - 10.000) / 4 horas = 8.214,5 l.
P = 8.214,5 (60º - 10º) = 410.725 k cal/h
Teniendo en cuenta las pérdidas por difusión de caldera-circuito primario-acumulador:
P* = 1,25 x 410.725 = 513.406 k cal/h, cantidad asimilable a la obtenida anteriormente
Es evidente que la regla expuesta faculta dar al binomio caldera-acumulador posibles alternativas distintas a las (4) y (5) tabuladas, considerando, en cualquier caso, que acumuladores excesivos darían lugar a calderas insuficientes y que acumuladores escasos traen consigo dispendios energéticos.
3.3.2 Según tablas N.T.E.
Supongamos que a las 500 camas del hotel corresponden 250 baños con 3 aparatos por baño (no se cuentan obviamente los inodoros)
Nº de aparatos 750; uso asimilable al privado
Capacidad del acumulador: 13.600 litros
P* de la caldera = 391.000 k cal/h.