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Energía Solar en los Andes Bombeo de Agua Manual de Construcción y Instalación de Bombas 6

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Energía Solar en los Andes

Bombeo de Agua Manual de Construcción y Instalación de Bombas

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“Esta publicación goza de los derechos de autor bajo protocolo 2 de Convención Universal de los Derechos de Autor. Las solicitudes de autorización para la reproducción, traducción o adaptación de parte o todo su contenido deberán ser dirigidas al Programas de Empleo y Juventud PEJ PA, La institución acogerá con gusto sus solicitudes. No obstante, pequeños extractos pueden ser reproducidos sin autorización, con la condición que se indique la fuente.” Primera Edición Abril del 2009 Programas de Empleo y Juventud PEJ PA Proyecto de Energía Solar Sto. Tómas Jr. Dos de Mayo N° 212 Sicuani Cusco Perú Telefax : 084 35 24 74 Email : [email protected] Eco. Henry Mar Tapia : Director ejecutivo PEJ – PA Ing. Ronald Huallpayunca : Coordinador del proyecto Energía Solar Ing. Simon Rüegsegger : Autor [email protected] Hecho en Perú Printed en Perú

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PRESENTACIÓN

La Asociación Religiosa Programas de Empleo y Juventud PEJ de la Prelatura de Sicuani, como institución de soporte del Proyecto “Energía Solar en los Andes” que viene formando técnicos solares y asumiendo formación básico en instituciones educativos en Chumbivilcas, asume su compromiso de educar y difundir la propuesta de usar energías limpias y el cuidado del medioambiente dese el año 2006 Es para el Proyecto *Energía Solar en los Andes” motivo de alegría el poder publicar el manual “Bombeo de Agua”, dentro el marco del proyecto de Energía Solar en los Andes, que tiene como institución financiera la KLJB de Alemania y el apoyo de un cooperante de la Misión Belén Immensee de Suiza, los cuales hacen posible realizar la formación de técnicos en Energía Solar para la difusión y popularización de la Energía Solar y del cuidado del medioambiente. La Energía Solar y las Energías renovables son una propuesta que hace al frente del modelo de energía convencional que por su precio no está al alcance de los más pobres y más necesitados una alternativa de desarrollo y satisfacción de necesidades básicos. Queremos asumir el reto, de que la población de base puede aprovecharse de las energías renovables y así hacer su aporte al cuidado del medioambiente. Las energías renovables son un propuesta alternativa para hacer llegar energía a las pobladores más lejanos de centros poblados.

Esta publicación es parte de la seria “Energía Solar en los Andes”

Casas Solares N° 1 Termas Solares y Gasfitería N° 2 Cocinas y Hornos Solares N° 3

Paneles Fotovoltaico y Electricidad N° 4 Secadores Solares N° 5 Bombeo de Agua N° 6

Fitotoldos N° 7 Fogones mejorados N° 8

Biodegistores N° 9

El Autor

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INTRODUCCIÓN

El presente Manual de “Bombeo de Agua”, surge ante la necesidad de contar con un instrumento necesario teórico – práctico para la formación de técnicos en energías renovables, con el propósito de socializar y sensibilizar la propuesta de energías renovables y del cuidado del medioambiente en la población. El presente manual funciona como base teórico para capacitaciones en el bombeo de agua y así mismo sirve al técnico para aplicar las replicas y las instalaciones para el bombeo de agua. El manual contiene una parte teórico, construcción bomba de ariete y bomba manual Esperamos, que este pequeño aporte contribuya a difundir y sensibilizar el uso de energías renovables y del cuidado del medioambiente.

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Teoría Las necesidades para bombear pueden ser diferentes, se necesita bombear agua para el uso en la casa o para riego depende de eso se calcula la bomba que se necesita. En el mercado existen diferentes tipos de bombas para bombear agua. Podemos clasificar las bombas a través de la energía que se usa para bombear agua.

También podemos clasificar las bombas a través de su principio de bombear el agua Centrifugas Las centrifugas tienen mayor caudal a menor presión. Pueden succionar el agua en un máximo de 3 metros de profundidad. Es tipo de Bomba hay como motobomba o electrobomba. Son buenas para el riego y adonde se necesita un buen caudal con poca presión. Mayor uso por su preció. Jet Las bombas Jet producen mas presión que caudal entonces son buenas para bombear agua a altas alturas pero con poco caudal. Normalmente son electrobombas. Tambien pueden succionar el agua en una profundidad de máximo de 3 metros. Sumergibles Las bombas sumergibles son electrobombas que se pueden hundir en el agua para levantar agua de la profundidad hasta más de 200 metros existen principalmente dos tipos los que tienen un diámetro de 4” o 6” para instalar en un tubo o las mas gorditas para aguas limpias o para aguas residuales. Estas bombas también tienen en comparación a la altura poco caudal. El uso es

Electricidad

Corriente continua

Corriente alterna

Gasolina Agua Viento Manual

Río

caida

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mayormente para levantar agua de la profundidad de un hueco al manante o para bobear residuos sólidos de una cisterna al desagüe más elevado.

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Diagrama con la relacion altura y cuadal para bombas Las bombas presentadas adelante funcionan la mayoría como motobomba o como electrobomba de corriente continua y alterna. Con excepción de los modelos que usan corriente continua que se pueden producir atreves de paneles fotovoltaicos contaminen en su uso el medioambiente. Existen bombas mecánicas que aprovechen la fuerza del hombre, agua (rio o caída) y viento. En este manual nos vamos a concentrar en la bomba ariete que aproveche la caída de agua o la velocidad de un rio para bombear agua y vamos a conocer una bomba sencillo que funciona con el esfuerzo de una persona

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¿Qué Bomba? En primer lugar hay que saber que cantidad de agua se va bombear por día o por hora y de que profundidad a qué altura. Eso nos indica que tipo de bomba necesitamos. En la ciudad vamos a elegir otra forma de energía que en el campo a donde por la a lejanía no hay nada.

Profundidad h en metros

Altura H en metros

Mo

tob

om

ba

Cen

trifuga

s

Je

t

Su

me

rgib

les

Bo

mb

a d

e

Arie

te

Rio

bo

mb

a

Bo

mb

a a

Ma

no

Ae

ro B

om

ba

0 m Hasta 200m

X X X X

Menor de 1m Menor de 1m

X X X X

Menor de 3 m Max de 30m

X X X

Menor de 3 m Mayor de 30m

X X X X

Más de 3 m Hasta 200m

X X

Tabla relación campo de uso de bombas

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Com

bu

stib

le

Corr

ien

te

alte

rna

Corr

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te

co

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a

(So

l)

Ag

ua (

Rio

)

Caíd

a d

e

Ag

ua

Vie

nto

Hom

bre

Motobomba X

Centrifuga X X

Jet X X

Sumergible X X

Bomba de Ariete

X X

Rio bomba X

Bomba a Mano

X

Aero bomba

X

Tabla relación energía y tipo de bomba El Caudal El caudal es la cantidad de Agua en m3/h que bombea la bombea a una altura determinado.

1 m3/h = 1000 Lit. / h = 16.6 Lit./min = 0.277 Lit./seg.

La Altura La altura indica hasta que altura un bomba puede bombear un cierta cantidad de agua en metros.

10 m = 1 bar = 100kpa = 14.5 PSI

La altura del bombeo es la altura desde la succión hasta la salida del agua (presión estática) en metros más la perdida de presión en el tubo por la velocidad del agua (presión dinámica).

Presión total = Presión estática + Presión dinámica

Presión estática Es la altura h de sucesión más la altura H de elevación en metros Presión dinámica Es la perdida de presión por rose del agua en las paredes del tubo eso es depende del diámetro y la velocidad del agua. Para explicar cómo se calcula la perdida de presión exacta se irá mucha más lejos que quiere ese manual.

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Para algunas instalaciones no hay una bomba adecuada en el mercado les falta caudal o presión para este caso hay la posibilidad de instalar dos bombas en paralelo o en serie depende del caso. Paralelo En la instalación paralela de dos bombas iguales se duplica su caudal. Caudal bomba 1 + caudal bomba 2

Diagrama bombas paralelo

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Serie En la instalación en serie de dos bombas iguales se duplica la presión. Presión bomba 1 + presión bomba 2

Diagrama bombas en serie

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Bomba de Ariete Hidráulico Bienvenidos al mundo de la Bomba de Ariete Hidráulico (BAH) Con esta tecnología, que es conocido hasta el año 1772, usted podrá bombear agua de un nivel bajo a un nivel más alto sin costos. Este parte del manual le enseñará cómo construir y instalar una bomba de ariete hidráulica adecuado por una familia o un pequeño pueblo, usando materiales y herramientas comunes en la zona. El objetivo principal del Proyecto de Escuela Andina y Energía Solar es el de mejorar la condición de vida de la familia rural, esto implica la incorporación de tecnologías de acuerdo a las necesidades sentidas y al manejo sostenido de las mismas.

¿Por qué una Bomba de Ariete Hidráulico? Sólo un 27.2% de las viviendas en Chumbivilcas tienen acceso a agua potable, servicios higiénicos y electricidad. Con la Bomba de Ariete Hidráulica se puede bombear agua del rio abajo a las casas y chacras mas arriba sin costos de electricidad o de combustible. ¿Qué ventajas tiene la Bomba de Ariete Hidráulica? • funciona solamente con agua • No uso electricidad • No uso gasolina, petróleo • La construcción es de baja costos • funciona en el rio • Se puede cultivar chacras más elevadas • Muy simple • Provisión de agua a casas y pequeñas poblaciones. • Elevación de agua a casas con niveles mayores a un piso y edificios. • Bebederos de ganado. • Riego • Prevención de sequias • Criaderos de peces • Lombricultura ¿Que desventajas tiene la Bomba de Ariete Hidráulica? • No funciona sin agua • No funciona sin diferencia de altura • No puede succionar agua de la profundidad del terreno

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¿Qué tamaño de la Bomba de Ariete Hidráulica (BAH)?

Typ BAH 1 BAH 5/4 BAH 1.5 BAH 2 BAH 2.5 BAH 3 BAH 4

alimentación 1” 1¼” 1½” 2” 2½” 3” 4”

Ingestión ½” ¾” 1” 1” 1¼” 1½” 2”

Caudal Q [Lt/min]

6-20 15-35 30-60 50-100 80-150 100-200

150-400

Caudal elevado (q) q = caudal elevado [Lt/min] h = desnivel de trabajo (alimentación) [m] H = Altura de elevación [m] Q = caudal de alimentación [Lt/min]

7.0*H

Qhq

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Desnivel de trabajo h en metros

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¿Cómo se construye una Bomba de Ariete?

Los materiales varían según el modelo de la Bomba de Ariete Hidráulica que desee hacer. Materiales por la Bomba de Ariete Hidráulica de PVC 1” C-10

N° Articulo Medidas Cantidad P. un Total

1 Válvula de derrame Válvula de pié de pozo

1” 1 Unidad 58.00 50.00

2 Válvula check Válvula de retención

1” 1 Unidad 58.00 57.00

3 Codo de 90° 1” 1 Unidad 3.00 3.00

4 Union Té 1” 2 Unidades 3.00 6.00

5 Niples c. Rosca 1” 3 Unidades 3.00 9.00

6 Redución 1”x1/2” 1 Unidad 2.00 2.00

7 Redución 1”x3/4” 1 Unidad 2.00 2.00

8 Union con roscas ¾” 1 Unidad 2.00 2.00

9 Botella 2.25Lt 1 Unidad 4.00* 4.00

10 Tubo PVC 1” 1m 6.00 6.00

11 Llave de paso ½” 1 Unidad 3.00 3.00

12 Llave de paso 1” 1 Unidad 7.00 7.00

Pegatubo 1 Unidad 1.50 1.50

Teflon 1 Unidad 1.00 1.00

Total 153.50

* Refresco Herramientas que se utiliza en la construcción de la Bomba de Ariete.

- Alicate por Tubos - Serruche

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Bomba de Ariete Hidráulica de PVC 1”

2

1

3 4

4

5

6 7

8

9

11

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Materiales por la Bomba de Ariete Hidráulica de Fierro galvanizada 1”

N° Que Medidas Union Precio/Un Total

1 Union Universal Glavanizado 1" 1 11.10 11.10

2 Union Universal Glavanizado 1/2" 1 6.90 6.90

3 Tee Galvanizado 1" 1 4.10 4.10

4 Tee Galvanizado 3/4" 1 2.60 2.60

5 Codo 90° Galvanizado 1" 1 3.60 3.60

6 Niple Galvanizado 1"-1" 5 1.50 7.50

7 Niple Galvanizado 3/4" - 1" 1 1.30 1.30

8 Niple Galvanizado 1/2" - 1" 2 0.85 1.70

9 Reduccion Bushing 1" x 3/4" 1 2.20 2.20

10 Reduccion Bushing 3/4" x 1/2" 1 1.80 1.80

11 Valvula Esfer. Llvano 1" 1 29.00 29.00

12 Valvula Esfer. Llvano 1/2" 1 14.00 14.00

13 Valvula Ch. Swing 1" 1 57.20 57.20

14 Valvula Canast. 1" 1 49.90 49.90

15 Botella 2.25Lt 1 4.00 4.00

Cinta Teflon 2 1.40 2.80

Total Material 199.70

1

6

11 3 5

14 13

12 15

2

9

4

7

8

10

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Bomba de Ariete mejorada La construcción de la Bomba de Ariete con tubos y uniones del material PVC tiene desventajas. • Altura que se puede bombear el agua 20m • con el tiempo se va a romper por la fuerzo de los golpes Por eso es mejor construir la Bomba de Ariete con uniones y tubo de acero.

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¿Cómo instalar la bomba de ariete?

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Bocatoma de captación El agua para bombear se almacene en tanque de concreto. Cuando el agua vine de un rio se puede sacar el agua en el rio. La bocatoma de captación del agua se puede construir en cualquier ancho. El importante es que sobre el tubo de alimentación esta siempre 30 á 40 cm de agua y debajo del tubo hay un espacio de 10cm para recibir suciedad. Es importante de evitar que entre suciedad en la Bomba de Ariete Hidráulica para evitar problemas en su funcionamiento.

La bocatoma de captación necesita un rebose para asegurar

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Tubo entrada de Agua Este Tubo tiene que tener el mismo diámetro o mayor que el tubo de alimentación. Se puede captar de un Rio o de un almante Es importante que este tubo entre al reservorio en el otro extremo del tubo de la alimentación, para evitar que en este entren burbujas de aire que van a afectar el funcionamiento de la Bomba de Ariete Hidráulica Tubo de alimentación Este tubo conecte el bocatoma de captación con la Bomba de Ariete Hidráulica con preferencia hay que usar tubos de fiero dulce los tubos de plástico no son recomendado por su elasticidad .El tubo de alimentación tiene el mismo diámetro como la entrada de la Bomba de Ariete Hidráulica. Para evitar problemas en el funcionamiento de la Bomba de Ariete Hidráulica se debe instalar el tubo de alimentación de acuerdo del los siguientes dibujos.

Con preferencia se coloque los tubos de alimentación en una sancha para evitar destrucción por animales o personas. Antes de llenar la sancha hay que poner la Bomba de Ariete Hidráulica en función para estar seguro de su bien funcionamiento. Las conexiones de los tubos debe ser de conexiones fuertes con resistencia a la presión y bien colocado sin fugas. Fugas bajan la potencia de la Bomba de Ariete Hidráulica. La longitud del tubo de alimentación debe ser 4 a 5 veces mas largo que la altura de alimentación para garantizar un buen funcionamiento de la Bomba de Ariete Hidráulica.

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Bomba de Ariete Hidráulica La Bomba de Ariete Hidráulica se conecte a los tubos de alimentación y de presión en un lugar protegido no es necesario de fijar la Bomba de Ariete Hidráulico con el piso. Con preferencia se coloque la Bomba de Ariete Hidráulica en un lugar que se puede cerrar para proteger la de manipulación y de robo. Hay que asegurarse que el Agua que hace el trabajo puede salir de este lugar sin dificultades. Tubo de presión El Tubo de presión conecte la Bomba de Ariete Hidráulica con el reservorio. El diámetro de este tubo es igual a la salida de la Bomba de Ariete Hidráulica y debe ser de PVC C10 para alturas hasta 100m. Hay que evitar que el tubo de presión tiene contra caída si no se puede evitar hay que colocar en el punto mas alta antes de la bajada un respirador de aire.

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El agua necesita una entrada libre al reservorio para evitar problemas en el funcionamiento de la Bomba de Ariete Hidráulica.

Es prohibido de poner cualquier tipo de Llaves o Válvulas en el tubo de presión, para evitar la destrucción de la Bomba de Ariete Hidráulica por sobre presión.

Reservorio El reservorio tiene la función de almacenar agua para épocas de mayor uso de agua. Normalmente se ubica el reservorio más elevado que el lugar de uso para tener cierta presión. El tamaño del reservorio es depende de la cantidad de agua que bombea la Bomba de Ariete Hidráulica y del usa diario. Por ejemplo: La Bomba de Ariete Hidráulica bombea 5 litros /minuto da 5lt/min x 60min/h x 24h/d = 7200 litros per día. Una familia de 5 personas necesita 250 litros/ día (higiene, cocinar,..) Para las Animales se necesita 2000 litros /día y para riego de goteo otros 4000 litros. En total necesitamos 6250 Litros de Agua por Día. Tomando en cuenta que en la noche casi no usamos agua y el consumo es del día y así se usa al instante el agua que se bombea de día tenemos que guardar el

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agua que se está bombeando de noche porque el agua que se bombea de día no alcance. Tamaño reservorio 5lt/min x 60min/h x 8h = 2400 Litros. Como se ve en el siguiente dibujo se puede dividir los reservorios para el uso de casa y del uso para los animales y para el riego.

¿Cómo uso la Bomba de Ariete Hidráulico?

Para poner la Bomba de Ariete Hidráulica la primera vez en función hay que cerrar las Llaves Nr. 1 y 2. Se llena el Tubo de alimentación hasta que ya no sale aire en la entrada y que está tapada con mínimo 30cm de agua. Se verifica que el la entrada de agua al Bocatoma de captación tiene buena cantidad. Se abre la llave Nr.1 en el mismo instante empieza a salir agua de la válvula de pie si esta no se cierra automático y la bomba emperica a trabajar se cierra a mano la válvula y se abre la llave Nr.2 hasta que se llenado la Bomba de Ariete Hidráulica con Agua.

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Ahora se empuje la válvula para que empezar a trabajar. En el inicio puede ser necesario de regular con la llave Nr.2 hasta que sale el agua en el reservorio. Ahí se abre la llave Nr.2 completo, para regular la Bomba de Ariete Hidráulica se recomiendo de fabricar el modelo a donde se puede aumentar o disminuir el peso de la válvula de pie para reglar la bomba de ariete hidráulica en su punto.

Una vez en función hay que asegurar que nadie puede cerrar la llave Nr.2. Peligros de Explosión por sobre presión en la Bomba de Ariete Hidráulica.

Para apagar la Bomba de Ariete Hidráulica se cierra la llave Nr.1 nuca la llave Nr. 2

¿Mantenimiento?

La Bomba de Ariete Hidráulica casi no necesita mantenimiento, depende de la suciedad del agua hay que limpiar las empaques de las válvulas. Si estas están muy gastadas hay que cambiar las. En vez de cuando hay que revisar los tubos si tienen fugas.

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INSTALACIONES Bomba de Ariete: BAH 1” de acero Tipo de Instalación: Alimentación de un Poso Desnivel de Trabajo: 6.0 metros Altura elevación: 21.0 metros Caudal elevado q: 2.0 Litros por minuto

Bomba de Ariete: BAH 1” de acero Tipo de Instalación: Captación en Rio Desnivel de Trabajo: 0.50 metros Altura elevación: 6.0 metros Caudal elevado q: 1.0 Litros por minuto

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DEFINICIONES CAUDAL.- Cantidad de líquido o fluido que pasa por una sección de una tubería en la unidad de tiempo. CISTERNA.- Depósito de agua intercalado entre el medidor y el conjunto motor bomba. ALIMENTADORA.- Tubería de distribución de agua que no es de impulsión, de aducción, ni ramal. TUBERÍA DE IMPULSIÓN.- Tubería comprendida entre la descarga del equipo de bombeo y la salida en el tanque elevado. TUBERÍA DE ADUCCIÓN.- La comprendida entre el medidor o regulador de gasto y salida en el tanque elevado, cuando no existe el tipo de bombeo. TUBERÍA DE DISTRIBUCIÓN.- Tubería destinada a llevar agua a todas las salidas y aparatos sanitarios de una edificación, comprendiendo alimentadores y ramales. DIAMETRO NOMINAL.- Es la dimensión comercial o normalizada de la tubería, que no corresponde necesariamente al diametro efectivo. DIAMETRO EFECTIVO.- Diámetro interior real de una tubería. PRESIÓN DE SERVICIO.- Es la que designa la presión máxima a la cual puede someterse permanentemente una tubería o un equipo. PRESIÓN ESTATICA.- Es la producida por la acción de la gravedad, entre dos puntos de un sistema o de una tubería llena de agua y fijada por el desnivel entre su punto superior en contacto con la atmósfera y el extremo inferior, cuando no hay flujo. PRESIÓN DINAMICA.- Es la presión estática, menos la perdida de carga producida en el tramo respectivo, en el momento del flujo máximo. GOLPE DE ARIETE.- Aumento anormal de la presión, que se produce sobre las paredes de una tubería que conduce agua, o sobre las válvulas de interrupción del flujo es modificado bruscamente. UNIÓN FLEXIBLE.- La que permite ligeros desplazamientos de una tubería para absorber vibraciones.

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Anexo

Tabla de presión

Presión

metros 1.00 2.00 4.00 8.00 10.00 15.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00

bar 0.10 0.20 0.40 0.80 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

atm 0.10 0.20 0.41 0.82 1.02 1.53 2.04 3.06 4.08 5.10 6.12 7.14 8.15 9.17 10.19

Psi 1.45 2.90 5.80 11.60 14.50 21.76 29.01 43.51 58.02 72.52 87.02 101.53 116.03 130.53 145.04

Clasificación de la Tubería de PVC para Agua Fría por su PRESIÓN

NOMINAL

Según la NTP ITINTEC 399.002

CLASE PRESION NOMINAL

PSI MCA BAR

C - 5 72 51 5

C - 7.5 108 76 7.5

C – 10 145 102 10

C - 15 215 151 15

Relación de medidas de Presión: 145 PSI = 102 MCA = 10 Bar = 10 Kgf = 1 Mpa

Clasificación de la tubería de PVC para Agua Fría por su DIAMETRO y tipo de EMPALME

TUBERIA SP – EC - EMBONE

DIAMETRO EXTERIOR

LONGITUD mts.

ESPESOR DE PARED

NOMINAL Pulg.

REAL mm.

C - 5 C – 7.5 C - 10 C - 15

1/2 21.0 5 - - 1.8 -

3/4 26.5 5 - - 1.8 -

1 33.0 5 - - 1.8 2.3

1 1/4 42.0 5 - - 2.0 2.9

1 1/2 48.0 5 - 1.8 2.3 3.3

2 60.0 5 1.8 2.2 2.9 4.2

2 1/2 73.0 5 1.8 2.6 3.5 5.1

3 88.5 5 2.2 3.2 4.2 6.2

4 114.0 5 2.8 4.1 5.4 8.0

6 168.0 5 4.1 6.1 8.0 11.7

8 219.0 5 5.3 7.9 10.4 15.3

10 273.0 5 6.7 9.9 13.0 19.0

12 323.0 5 7.9 11.7 15.4 22.5

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TUBERIA CON ROSCA

DIAMETRO EXTERIOR

LONGITUD C – 10

Espesor de Pared

ROSCA NTP N° Hilos/Pulg

NOMINAL Pulg.

REAL mm.

1/2 21.0 5 2.9 14

3/4 26.5 5 2.9 14

1 33.0 5 3.4 11 1/2

1 1/4 42.0 5 3.6 11 1/2

1 1/2 48.0 5 3.7 11 1/2

2 60.0 5 3.9 11 1/2

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Este Manual fue elaborado por Simon Rüegsegger

Ingeniero de calefacción y energía solar Cooperante Misión Belén de Immensee

eMail: [email protected]

PEJ Programa de Empleo y Juventud

Proyecto de Escuela Andina y Energía Solar

eMail: [email protected] Telf.; 084-35 24 74

26. de Mayo del 2009