Diseo y clculo de instalaciones de gas en edificaciones residenciales

y comerciales, empleando el mtodo de la prdida de carga

El mtodo de la prdida de carga empleado para el diseo de una instalacin receptora de gas es un mtodo prctico y verstil que se puede emplear en cualquier tipo de instalacin de gas, donde la red diseada sea radial, consiste bsicamente en considerar el recorrido del gas desde un punto de ingreso hasta los quemadores en los artefactos o equipos y asumir que en cada tramo la cada de presin es proporcional a la longitud del tramo independiente del dimetro. A continuacin se muestra la aplicacin de esta metodologa al diseo de una red interna de una instalacin de gas residencial y/o comercial en una edificacin. El diseo de las instalaciones internas de gas natural seco y GLP, se debe considerar entre otros los siguientes aspectos bsicos. Mxima cantidad de gas natural seco consumido por los aparatos Mnima presin de gas natural seco requerido por los artefactos a gas Las precisiones tcnicas para atender demandas futuras El factor de simultaneidad asociado al clculo del mximo consumo

probable La gravedad especfica y el poder calorfico del gas natural seco. La cada de presin en la instalacin interna y el medidor Longitud de la tubera y cantidad de accesorios Velocidad permisible del gas Influencia de la altura (superior a los 10 m) Material de las tuberas y accesorios.

La concesionaria de distribucin debe proporcionar los siguientes datos del gas empleado para proceder al diseo de una instalacin receptora. En el caso peruano la empresa encargada de la distribucin se llama Clidda, anteriormente se llamaba GNLC (Gas Natural de Lima y Callao). Adems para dimensionar las tuberas y trazar el isomtrico del sistema de suministro de gas deberamos conocer:

La presin garantizada a la salida de la llave de acometida. La presin mnima a la salida del regulador y medidor. La prdida de carga admitida en cada tramo de la red de tuberas. El dimetro nominal de la llave de acometida y caractersticas del tubo de

conexin. Las caractersticas y dimensiones de los armarios de regulacin. Para el clculo de una instalacin receptora es importante tenerse en cuenta el tipo de edificacin en el que se va a realizar la misma, pues de acuerdo al tipo de edificacin vara la tipologa de la instalacin.

Las instalaciones receptoras de gas pueden alimentar a los siguientes tipos de edificaciones: a) Edificios de nueva construccin b) Edificios ya construidos A su vez estos edificios pueden ser: - Viviendas unifamiliares - Viviendas multifamiliares en fincas o solares de 2 o 3 pisos. - Edificios con viviendas multifamiliares de ms de 5 pisos - Locales destinados a usos colectivos o comerciales (hoteles, restaurants, centros comerciales, colegios, hospitales, etc.) En el caso que los edificios ya estn construidos y estos cuenten con instalaciones receptoras de GLP, se debe evaluar su conversin al gas natural, empleando las redes existentes y parte de la infraestructura de ser posible. 1.- Consumo de los artefactos a gas.

El consumo de un aparato a gas depende de su gasto calrico o potencia calrica til y del poder calorfico superior del gas distribuido. El gasto calrico de un aparato a gas es la potencia que consume en su funcionamiento normal, que no debe confundirse con la potencia til o nominal que es la que entrega el aparato. El gasto calrico de un aparato a gas puede venir expresado en base al poder calorfico superior o inferior del gas. Para calcular el caudal nominal de un aparato a gas se debe dividir el gasto calrico indicado en su placa por el fabricante (expresado en base al PCS o PCI), sobre el poder calorfico superior o inferior.

Normalmente la potencia nominal o gasto calrico se da respecto al PCS y en condiciones standard, por tanto el caudal nominal ser:

PCSPQ nn =

Donde: Pn = Gc = Potencia nominal gasto calrico expresado en kW o en kcal/h

(referido al PCS) PCS= Poder calorfico Superior expresado en kWh/m3 o kcal/m3 Qn = Caudal nominal del aparato a gas expresado en m3(s)/h

Para los aparatos de uso domestico que se desconozcan sus caractersticas, puede considerarse de manera referencial su gasto calrico (referido al PCS), considerando un poder calorfico de 8 450 a 10 300 kcal/m3(s). La Norma Tcnica peruana NTP111.011, recomienda emplear en los proyectos los siguientes valores para el PCS y la densidad relativa (dr) del gas natural seco: 8450kcal/m3 y 0,61 respectivamente.

Para iniciar el diseo de la instalacin receptora de gas en una edificacin es importante conocer las potencias nominales de los artefactos que se usarn en el edificio, por ello es importante conocer los consumos usuales de cada tipo de artefacto a emplear, para proyectar el consumo esperado. Por ejemplo para el caso de equipos de fabricacin espaola, sus caudales nominales se muestran en la siguiente tabla.

C audal nom ina l

(kW ) (kca l/h ) (m 3/h)(s)

C ocina-horno 11,6 10000 1,1

Encim era 5,8 5000 0,5

C alentador de 5 l/m in 11,6 10000 1,1

C alentador de 10 l/m in 23,2 20000 2,1

C aldera m ixta (10 l/m in) 23,2 20000 2,1

C aldera m ixta (13 l/m in) 30,9 26600 2,8

C aldera de ca le faccin

Pequea 14,0 12000 1,3

m ediana 18,6 16000 1,7

grande 23,2 20000 2,1

R adiador 4,7 4000 0,4

Secadora 4,7 4000 0,4

C alentador de agua de 50 ga l 18,2 16000 1,7

Tab la N 1 : G astos ca lorficos por tipos de aparatos de fabricacin Espaola

G asto ca lorficoT ipo de aparato

1.1 Caudal mximo de simultaneidad de instalaciones individuales Cuando en una instalacin individual estn instalados ms de dos aparatos a gas es poco probable que todos estn funcionando a su potencia nominal simultneamente. Por ello a la hora de disear las instalaciones individuales la acometida interior y las instalaciones comunes se han de tener en cuenta los caudales mximos de simultaneidad de las instalaciones individuales domsticas que se calcularn mediante la frmula siguiente:

2......43

21n

siQQQQQQ ++++=

Qsi = Caudal mximo de simultaneidad de la vivienda o instalacin individual

Q1 y Q2 = Caudales nominales de los aparatos de mayor consumo (m3/h)(s).

Q3, Q4, Qn = Caudales del resto de los aparatos

1.2 Caudal mximo de simultaneidad de acometidas interiores e instalaciones comunes El caudal mximo de simultaneidad de acometidas interiores o de instalaciones comunes se efectuar sumando los caudales mximos de simultaneidad de cada una de las viviendas existentes en el edificio o finca, este resultado se multiplica por el coeficiente o factor de simultaneidad que es funcin del nmero de viviendas y el tipo de aparatos instalados.

jsisc SQQ = Donde: Qsc = caudal mximo de simultaneidad de acometida interior de la instalacin comn en m3/h (s). Qsi = caudal mximo de simultaneidad de cada vivienda o local (m3/h) (s). Sj= Factor de simultaneidad en funcin del nmero de viviendas que alimenta la instalacin comn y de acuerdo a que estn o no instalados calderas de calefaccin.

Tabla 2.

N de viviendas S1 S2

1 1,00 1,0

2 0,50 0,7

3 0,40 0,6

4 0,40 0,5

5 0,40 0,5

6 0,30 0,5

7 0,30 0,5

8 0,30 0,4

9 0,25 0,4

10 0,25 0,45

15 0,20 0,40

25 0,20 0,40

40 0,15 0,40

50 0,15 0,35

Tabla de factores de Simultaneidad. Norma Espaola

0

0

0

5

0

0

0

5

5

S1 = factor de simultaneidad cuando no hay calderas de calefaccin conectadas. S2 = factor de simultaneidad cuando estn conectados calderas de calefaccin * En zonas climticas fras se recomienda emplear S2

2.-Longitud e equivalente de la instalacin

Al circular el gas por un conducto o tubera se produce una disminucin de la presin llamada perdida de carga, debida a la friccin interna del fludo al atravesar por el interior del tubo y tambin debido a los cambios de direccin

de la velocidad y restricciones en los diversos accesorios fitting s de la instalacin como son los codos, las vlvulas, los filtros, derivaciones, reducciones, etc. Las formulas de la dinmica de fludos establecidas para el flujo de gas a lo largo de las tuberas solo determinan las perdidas de carga debido a la friccin interna en las tuberas, pero no las perdidas causadas por los accesorios. Para determinar estas perdidas existen varios mtodos, pero en este caso, para simplificar el clculo incrementaremos la longitud del tramo en un 20% denominndole a esta longitud longitud equivalente (Le).

2.1 Longitud equivalente (calculo aproximado).

Le= Lr + (20%) Lr Donde: Lr= Longitud real del tramo de tubera en (m) Le= (20% Lr)= Tramo equivalente a los accesorios (m). Le= Longitud equivalente (m).

En resumen: Le= 1.2Lr 2.2 Longitud equivalente (calculo exacto). Para un calculo mas exacto de las perdidas se emplean tablas experimentales en funcin del dimetro de los accesorios, en general se recomienda calcular este tramo en base a la relacin del dimetro y longitud de cada tramo, donde se encuentra el accesorio.

Le= Di x Rel(L/D) Le = Longitud de tramo equivalente en m. Di = Dimetro interno de la tubera en mm. Rel(L/D) =Relacin longitud dimetro de cada accesorio (se muestra en la tabla 3)

Tabla 3 : Relacin longitud equivalente vs dimetro de accesorios Rel(L/D)

Accesorios Rel(L/D)

Codos a 45 14

Codos a 90 30

Tee con flujo a 90 60

Tee a travs del flujo 20

Para instalaciones comerciales, se desprecia la cada de presin en reducciones, uniones rectas y vlvulas esfricas de paso directo (sin reduccin de recesin) Longitud equivalente (forma de calculo ). En general para instalaciones residenciales o instalaciones individuales considerar el 20% de incremento en la longitud real para determinar la longitud equivalente de cada tramo. Para instalaciones comerciales e instalaciones comunes en media presin, se debe considerar las prdidas recomendadas en la tabla 3. Para instalaciones industriales se debe considerar las perdidas que dan los fabricantes de tubos por longitud de tramo equivalente de acuerdo a las dimensiones y tipos de accesorios. En el caso de las instalaciones industriales la Norma Tcnica peruana NTP 011.010, presenta una tabla para estimar los valores de la longitud equivalente de estos accesorios

3. Perdida de carga en una instalacin receptora (P) La prdida de carga de una instalacin receptora es la disminucin de presin que se produce en la circulacin del gas desde el ingreso a la red receptora hasta los aparatos que conforman el gas. La prdida de carga de una tubera se distribuye en cada tramo y con fines prcticos se realiza de manera proporcional a la longitud de cada tramo. La perdida de carga admitida variara en funcin de la presin de operacin que garantizar al concesionario 3.1 Prdida de carga admisible

Gas en baja presin (BP) La prdida de carga (cada de presin) entre el medidor y cualquier artefacto, funcionando la totalidad de los artefactos a instalar, no debe exceder de (1 a 1.5 mbar). Se recomienda que no debe exceder del 5% de la presin inicial de entrada en BP.

Gas a media presin(MPA) La prdida de carga (cada de presin) entre el inicio de la instalacin y el regulador, funcionando la totalidad de los artefactos a instalar, no debe exceder el 5% de la presin de entrada.

Gas a media presin (MPB) La prdida de carga (cada de presin) entre el inicio de la instalacin y el regulador funcionando la totalidad de los artefactos a instalar, no debe exceder del 10% de la presin de entrada.

4. Formula aplicables para el diseo del sistema de tuberas para circulacin de gas natural Para calcular la perdida de carga en un tramo de instalacin se puede utilizar la formula de Renouard Lineal para baja presin y media presin A (hasta100 mbar). Para media presin B y media presin A superior a 100 mbar se usa la formula de Renouard cuadrtica la cual se aplica tambin en las instalaciones comerciales e industriales. 01) Frmulas para la cada de presin: Frmula de Renouard Lineal, cuando mbarP 100

82.482.123200 = DQLdrP e Donde: mbarP = dr =densidad relativa meneequivalentLongitudLe = )(/3 shmencaudalQ = D = dimetro interior de la tubera en mm 02) Formula de Renouard Cuadrtica(P>100mbar) y Q/D < 150

82.482.122 6.48 = DQLdrPP efi

Donde: Pi y Pf : presiones absolutas al inicio y al final del tramo en bar dr = densidad relativa Le = Longitud equivalente en m Q = Caudal en m3/h(s) D = Dimetro interno en mm. 03) Velocidad mxima del gas.

2

354PD

QV = Donde: V, en m/s Q, en m3/h(s) P, presin absoluta al final del tramo en bar D, dimetro interior en mm. La velocidad mxima permisible del gas de acuerdo a normas es:

- V 7m/s, para instalaciones individuales. - V 20m/s, para lneas matrices y montadas. - V 30m/s, para instalaciones industriales.

En el caso de instalaciones en baja presin tambin se puede aplicar la frmula de Pole.

er LdPDQ

=2

)(5

Donde: Q; caudal en m3/h(s) D; en cm. P; en mm cda. Le; longitud equivalente en m. dr; densidad relativa. 5. PROCEDIMIENTO DE CLCULO PARA EL DISEO DE UNA INSTALACION DE GAS NATURAL 1. Conocer las caractersticas del gas que se suministrar a la instalacin receptora, as como su presin de distribucin. Estos datos deben solicitarse a la Empresa Suministradora. 2. Realizar el trazado de la instalacin receptora segn las caractersticas de la edificacin, determinando la longitud de cada tramo de instalacin y seleccionar la arteria principal. Para ello se dibujar el plano isomtrico de la instalacin 3. Elegir el material con el que se construir la instalacin receptora. Para los tramos de instalacin receptora a partir del armario de regulacin se podr utilizar cobre, acero o acero inoxidable. Para los tramos de instalacin receptora anteriores al armario de regulacin se podr utilizar acero, cobre o polietileno, recomendndose ste ltimo si se trata de un tramo enterrado o empotrado con vaina. 4. Determinar los caudales nominales de cada aparato instalado o previsto en cada instalacin. 5. Determinar el caudal mximo de simultaneidad de cada vivienda del edificio. 6. Determinar el caudal mximo de simultaneidad de la acometida interior, si existe, y de la instalacin comn, considerando los caudales mximos de simultaneidad de todas las viviendas, estn conectadas a la instalacin comn o no. 7. Determinar la longitud equivalente de cada tramo de instalacin receptora. 8. Conocer la distribucin de la prdida de carga y el dimetro mnimo en cada tramo de la instalacin receptora. En aquellos casos en los que se haya asignado una prdida de carga a una parte de la instalacin que contenga ms de un tramo, se proceder a determinar la prdida de carga de cada tramo utilizando el concepto de prdida de carga por metro lineal segn la siguiente expresin:

Siendo i el nmero de tramos Iniciar el proceso de clculo determinando el dimetro terico mnimo del primer tramo, utilizando para ello la frmula de Renouard, en la que Le es la longitud equivalente del tramo estudiado, P la prdida de carga determinada en el paso 8, Q el caudal mximo de simultaneidad que circular por el tramo en condiciones de referencia y dr la densidad relativa del gas respecto del aire. 10. Elegir el dimetro comercial del tubo igual o superior respecto al terico obtenido mediante el clculo anterior, teniendo en cuenta los criterios de dimetros mnimos determinados en el paso 8. 11. Determinar la prdida de carga real del tramo mediante la frmula de Renouard, tomando ahora como dimetro el correspondiente al interior del tubo comercial elegido en el paso 10, la longitud equivalente del tramo, el caudal de circulacin del mismo y la densidad relativa del gas. 12. Determinar la nueva prdida de carga a utilizar en el tramo siguiente (i+1) utilizando para ello la siguiente frmula:

(*) Debe utilizarse la prdida de carga real calculada en el punto 11. 13. Repetir el proceso descrito entre los puntos 9 al 12 hasta llegar al tramo final de la arteria principal. 14. Seleccionar una arteria secundaria y adoptar como prdida de carga mxima admisible la correspondiente al nudo donde enlaza con la arteria principal. 15. Repetir el proceso descrito en los puntos 9 al 12. Una vez se han determinado los dimetros comerciales de todos los tramos de la instalacin receptora, se realiza un cuadro resumen del diseo de la instalacin receptora por tramos, en los que se incluir, como mnimo, lo siguiente:

Longitud real del tramo. Material de la conduccin del tramo. Dimetro comercial del tramo. Prdida de carga real del tramo. Caudal mximo del tramo. Presin inicial y final del tramo Velocidad del gas en el tramo

Ejemplo: Supongamos una instalacin de 4 tramos al cual se conectan 4 artefactos (red radial) Para determinar la prdida de carga real de cada tramo se procede de la siguiente manera: Se toma el recorrido mas largo como el crtico y se determina la prdida

de carga de cada tramo, empezando por el primero.

Tramo 2 Tramo30 42 31 Tramo1 Tramo 4

A4 A3 A2

L4 L3L2L1Gas

A1

432104 PPPPPPPTotal +++==

1.- Tramo 1: Prdida de carga

TotalT

PLLP = 11 nouardcalculasedatoestecon Re lineal empleando el dimetro

comercial.

Luego con el dimetro comercial se toma el dimetro interno y se halla la cada de presin real nuevamente empleando Renouard lineal y se halla la cada de presin real del tramo: rreal PP 11 =

2.- Tramo 2: Luego se determina la cada en el tramo 2.

( )

= 12

12 LLLPPP

TrT con este dato anlogamente se determina el

dimetro comercial empleando Renouard lineal, luego P2r

3.- Tramo 3: Anlogamente

( )[ ] ( )( ) rTrrT PLLLL

PPPP ++= 213

213

4.- Tramo 4: Del mismo modo: ( )rrrT PPPPP 3214 ++ =

( )[ ] ( )3214

321 LLLLLPPPPP

TrrrTr ++++=

De aqu por analoga se puede obtener la siguiente frmula para cualquier tramo de un recorrido de n tramos.

( )( ) = ++ itotal iirTotali LLLPPP 11

6.- Ejercicio da aplicacin: Diseo de una instalacin de gas de un departamento de un edificio multifamiliar. (en el archivo siguiente)