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24.11.08

INSTALACIONES HIDRAHULICAS

10.1. Instalaciones Hidráulicas
Las instalaciones hidráulicas dentro de la construcción agrupan a las siguientes redes de tuberías :
• Tuberías del medidor a la cisterna, al tinaco o a los muebles.
• Tuberías de la cisterna al tinaco o al equipo de presión.
• Tuberías del tinaco o del equipo de presión a los muebles.
Todas ellas conducen agua potable a presión, con el objeto de que finalmente sea utilizada en cada uno de los aparatos sanitarios instalados. Independientemente de conducir agua potable a presión tienen características particulares que las diferen-cian unas de otras, sin embargo combinadas pueden formar parte de un mismo sistema ; estos sistemas se complementan de equipos de presión, depósitos, válvulas y accesorios que permiten un correcto funcionamiento.
Las características que deben tener estas redes son las siguientes :
• Deben de conducir el agua a presión con un mínimo de pérdidas de carga, con el objeto de que las fuentes de presión disminuyan al máximo posible su capacidad, provocando ahorro en su inversión, mantenimiento y consumo de energía.
• Deben de instalarse con facilidad, con el menor herramental posible permitiendo al operario disminuir el tiempo de montaje y evitar fatigas exageradas en su jornada de trabajo.
• Deben de durar bastante tiempo ; el mismo que la construcción, esto se logra con una buena instalación, con una adecuada velocidad de flujo y con una excelente resistencia a cualquier tipo de corrosión.
La selección de los materiales debe de realizarse en base a estos puntos, la importancia de esto se refleja directamente en la calidad de la instalación y por lo tanto de la obra, es conveniente aclarar que la calidad de la obra no debe estar en función del tipo, ya sea éste residencial, interés social, etc. sino de quien lo ejecuta.
Las tuberías de cobre en las instalaciones hidráulicas tradicionalmente se utilizan, debido a que los usuarios se han percatado de sus ventajas, permitiendo ahorros importantes en cuanto a mantenimiento, duración y conducción del flujo.
La adaptabilidad a los diseños más intrincados, permitiendo la ejecución, sin necesitar herramental pesado y costoso, hace que se utilicen en todo tipo de obra.
10.1.1. Aparatos
Los aparatos pueden dividirse en tres grupos, de acuerdo con el uso al cual se destinan :
1) Evacuadores
• W. C.
• Mingitorios
• Vertederos
2) De limpieza de objetos
• Fregaderos
• Lavaplatos
• Lavaderos
3) De higiene corporal
• Lavabos
• Regaderas
• Tinas
• Bidets
4) Algunos aparatos no se agrupan por tener condiciones especiales como el caso de las lavadoras de ropa, lavaplatos eléctricos, mangueras de jardín, etc. ; sin embargo requieren de determinado flujo. Su carac-terística común es ser alimentados por una llave de nariz.
Todos los evacuadores requieren de gran cantidad de agua en poco tiempo con el objeto de efectuar una limpieza profunda del mueble, permitiéndole ser reutilizable en condiciones higiénicas.
Los aparatos que se utilizan para efectuar la limpieza de objetos requieren de recipientes en donde el agua se pueda acumular y los objetos se puedan colocar, requieren de un flujo más bien bajo y constante.
Los aparatos usados para la higiene corporal tienen características individuales, el lavabo requiere de un flujo mínimo en poco tiempo, la regadera requiere buen flujo y en bastante tiempo, etc.
Una segunda clasificación de los aparatos se puede realizar de acuerdo al tipo de válvula que usan en los sellos terminales.
1) Sistemas de válvulas de globo : Este tipo de sello es muy común, sin embargo en su forma terminal pueden tener apariencias muy diferentes, los casos más comunes son :
• Llaves de lavabo y fregadero individuales o mezcladoras.
• Llaves empotrables de regadera y tina
• Llaves de nariz con y sin rosca para lavaderos, lava-latos, vertederos, lavadoras de ropa, mangueras de jardín, etc.
• Llave para mingitorio
• Llaves para bidet
2) Sistemas de válvulas de tanque bajo (válvula de flotador) : Es utilizado en los W. C. ; se fabrica en varios materiales y modelos (también se utiliza en la alimentación de tinaco y cisterna) el sello se realiza de acuerdo al nivel de agua acumulado y que el flotador transmite a la válvula para accionarla.
3) Sistemas Fluxómetros : Este tipo de sello se utiliza en los W. C. y mingitorios que estén instalados en lugares públicos.
Algunos aparatos pueden colocarse en edificios públicos y todos en edificaciones privadas, la diferencia estriba no en su funcionamiento sino en su rapidez de reutilización, esto se refleja en el diámetro de las tuberías que lo alimentan.
10.1.2. Dotaciones de agua potable
A continuación se da un cuadro con las dotaciones en litros por persona por día que deben considerarse cuando se hacen cálculos de redes hidráulicas.
Dotaciones recomendadas de agua potable
Dotación
Edificación
85 l/persona/día
Zonas rurales
150 l/persona/día
Habitación popular (D. F.)
200 l/persona/día
Habitación de interés (D. F.)
250 l/persona/día
Departamento de lujo (D. F.)
500 l/persona/día
Residencia con alberca (D. F.)
70 l/empleado/día
Edificios de oficinas
200 l/huésped/día
Hoteles (con todos los servicios)
2 l/espectador/
función
Cines
60 l/obrero/día
Fábricas sin consumo industrial
200 l/bañista/día
Baños públicos
50 l/alumno/día
Escuelas primarias
300 l/bañista/día
Clubes con servicio de baño
15 l/comensal
Restaurantes
30 l/comensal
Restaurantes de lujo
20 l/kg ropa seca
Lavanderías
200 l/cama /día
Hospitales
300 l/cama/día
Hospitales
10 l/m2 área rentable
Edificios de oficinas
5 l/m2 superficie sembrada en cesped
Jardines
2 l/m2 superficie
Riego de patios
10.2. Justificación de reducción de diámetros. Método de suministro de agua por presión
La finalidad de esta metodología de cálculo es la de difundir una forma sencilla de obtener los diámetros mínimos requeridos en una instalación hidráulica, garantizando el suministro de agua adecuado y necesario, lo cual redundará en un eficiente funciona-miento ; así como en un ahorro substancial en el costo de la instalación.
Esta metodología está basada en la experiencia de personal capacitado en el ramo, así como de sistemas de publicaciones aceptados como : National Plumbing Code Asa-40.8 ; Copper Hand Book C. D. A. Inc., etc., razones por las cuales se propone a ingenieros, arquitectos y a todas aquellas personas relacionadas con las instalaciones hidráulicas en la industria de la construcción.
10.2.1. Método de cálculo
1. Presión inicial o presión de la red (Pr=kg/cm2) : Dato que se obtiene de la Junta de Agua Potable de la localidad o municipio donde se efectúa la construcción, o en su defecto se determina la presión de trabajo del equipo hidroneumático.
2. Estimación de la demanda (Gasto = litros por minuto L. P. M.) : La demanda total está basada en el consumo de agua de cada uno de los muebles o aparatos sanitarios por instalar, existiendo tablas y gráficas de consumo para cada tipo de mueble sanitario, expresados en unidades mueble, dichas tablas y gráficas están construidas considerando la probabilidad de ocurrencia en el funcionamiento simultáneo de los muebles sanitarios instalados (ver tabla 10.1. y Fig. 10.1.). Los datos proporcionados, están calcu-lados para ramales que alimenten agua fría y caliente ; en el caso de existir aparatos que consuman agua fría y caliente y se desee únicamente calcular el ramal de agua fría, se considerará el 75% del consumo total del aparato ; si por el contrario se requiere calcular sólo el ramal de agua caliente éste se considerará al 56% del consumo del aparato. Ahora, cuando el aparato consuma únicamente agua fría, se considerará el 100% del consumo del mismo.
3. Determinación del diámetro del medidor : Existen tablas de fabricantes de medidores (Fig. 10.2.) que proporcionan el diámetro del medidor, tomando en cuenta únicamente el consumo de la instalación.
4. Pérdidas de presión en el medidor (Pm = kg/cm2) : Las pérdidas por fricción están basadas de acuerdo al consumo de la instalación y del diámetro del medidor (Fig. 10.2.)
5. Pérdidas de presión por altura (Ph = kg/cm2) : Estas pérdidas son consecuencia de la altura, debido a la gravedad que debe vencer el fluido. Dichas pérdidas se obtienen multiplicando la diferencia de altura en metros entre la red de alimentación y la salida del mueble más alto por 0.1, obteniéndose así las pérdidas en kg/cm2.
6. Presión de salida en el mueble más desfavorable (Ps = kg/cm2) : Se cuenta con tablas previamente calculadas (tabla 10.3.) las que determinan la presión mínima de salida de cada mueble. Para encontrar Ps ; se considera únicamente el más alejado de los muebles instalados.
7. Presión libre (Pl = kg/cm2) :Esta presión se refiere a la presión disponible para vencer pérdidas por fricción debida a tuberías en la instalación. Se obtiene restando a la presión de la red (Pr), la suma de las pérdidas de presión debidas al medidor (Pm), las pérdidas de presión por elevación (Ph) y la presión de salida en el mueble más desfavorable (Ps).PL = Pr - ( Pm + Ph + Ps )
8. Longitud equivalente (L = m) : Esta longitud se obtiene sumando a la longitud de tubería, la longitud equivalente de las conexiones y accesorios instalados en la red. La longitud equivalente de las conexiones y accesorios se obtiene directamente de la tabla 10.5.
9. Factor de presión (Fp = kg/cm2) : En este paso se obtiene la presión con que se dispone para vencer las pérdidas de fricción en 100 m de tubería, pues las gráficas con que se cuenta están diseñadas para esta longitud.
10. Diámetro del ramal principal (φ = pulg) y velocidad de flujo (V = m/s) : Ambos datos se obtienende las figuras 10.3. y 10.4., en las cuales se localiza la demanda (L. P. M.) en el eje vertical y el factor de presión (kg/cm2) en el eje horizontal ; en el punto en que se crucen la línea vertical y la horizontal se obtendrá el diámetro del ramal principal y la velocidad de flujo. Se hace incapié en que la velocidad de flujo no debe ser mayor a 2.9 m/s para evitar ruidos molestos en la instalación ni debe ser menor de 0.9 m/s, pues con esta velocidad no se contaría con el flujo suficiente.
Tabla 10.1. Unidades de consumo o unidades mueble (U. M.)
Aparato o
grupo de aparatos
Uso
Público
Uso
Particular
Forma de
Instalación
W. C.
10
6
Válvula de descarga
W. C.
5
3
Tanque de descarga
Lavabo
2
1
Grifo
Bañera
4
2
Grifo
Ducha
4
2
Válvula mezcladora
Fregadero
4
2
Grifo
Pileta de office
3

Grifo
Mingitorio de pedestal
10

Válvula de descarga
Mingitorio mural
5

Válvula de descarga
Mingitorio mural
3

Tanque de descarga
Cuarto de baño completo

8
Válvula de descarga para W. C.
Cuarto de baño completo

6
Tanque de descarga para W. C.
Ducha adicional

2
Válvula mezcladora
Lavadero

3
Grifo
Combinación de lavadero y fregadero

3
Grifo
Tabla 10.2. Relación de unidades mueble con respecto a la demanda de agua
Total de
unidades mueble
Demanda de agua
en L. P. M.
5
15
10
30
20
53
30
76
40
90
50
105
75
140
100
165
200
250
300
320
Tabla 10.3. Presión de salida de mueble
(A)
Aparato
(B)
Diámetro de
la tubería
(pulgadas)
(C)
Presión
(kg/cm2)
(D)
Caudal
(L. P. M.)
Lavabo
3/8
0.58
12
Grifo de cierre automático
1/2
0.87
10
Lavabo público, 3/8”
3/8
0.73
15
Fregadero, 1/2”
1/2
0.36
15
Bañera
1/2
0.36
25
Lavadero
1/2
0.36
20
Ducha
1/2
0.58
20
W. C : con tanque de descarga
1/2
0.58
12
W. C. con válvula de descarga
1
0.73 - 1.46
75 - 150
Mingitorio con válvula de descarga
1
1.09
60
Manguera de jardín de 15 m
1/2
2.19
20
Tabla 10.4. Gasto de medidores
Diámetro
(pulgadas)
Ensayo normal
límites de caudal
(L. P. M.)

Diámetro
(pulgadas)
Ensayo normal
límites de caudal
(L. P. M.)
5/8
4 a 75

2
30 a 600
3/4
8 a 130

3
60 a 120
1
11 a 200

4
105 a 1,900
1 1/2
20 a 375

6
180 a 3,800
Tabla 10.5. Longitud equivalente de conexiones a tubería en m
Diámetro
(pulgadas)
Codo
90º
Codo
45º
Te giro de 90º
Te paso recto
Válvula de
compuerta
Válvula de globo
Válvula de
ángulo
3/8
0.30
0.20
0.45
0.10
0.06
2.45
1.20
1/2
0.60
0.40
0.90
0.20
0.12
4.40
2.45
3/4
0.75
0.45
1.20
0.25
0.15
6.10
3.65
1
0.90
0.55
1.50
0.27
0.20
7.60
4.60
1 1/4
1.20
0.80
1.80
0.40
0.25
10.50
5.50
1 1/2
1.50
0.90
2.15
0.45
0.30
13.50
6.70
2
2.15
1.20
3.05
0.60
0.40
16.50
8.50
2 1/2
2.45
1.50
3.65
0.75
0.50
19.50
10.50
3
3.05
1.80
4.60
0.90
0.60
24.50
12.20
3 1/2
3.65
2.15
5.50
1.10
0.70
30.00
15.00
4
4.25
2.45
6.40
1.20
0.80
37.50
16.50
5
5.20
3.05
7.60
1.50
1.00
42.50
21.00
6
6.10
3.65
9.15
1.80
1.20
50.00
24.50
Fig. 10.1. Estimación de la demanda (U. M. en L. P. M.)
1 Instalaciones e las que predominan válvulas de descarga (fluxómetro)
2. Instalaciones en las que predominan tanques de descarga
Fig. 10.2. Pérdidas de presión en el medidor
Se utiliza la fórmula de Hazen - Williams desarrollada, aplicando directamente cada uno de los datos de gasto, presión disponible y longitud.
Es muy importante el que se comprenda que se puede dimensionar tanto el ramal principal como los ramales secundarios, las carac-terísticas individuales son las que diferen-ciarán los resultados obtenidos.
10.2.2. Fórmulas usadas
Hazen - Williams
Despejando para el diámetro se tiene :
y para gasto :
Donde :
Pf = Pérdidas por fricción (m)
d = Diámetro interno de la tubería (mm)
Q = Gasto o caudal (LPM)
L = Longitud del tubo (m)
C = Coeficiente de pérdidas (adim)
Coeficientes “C” de Hazen - Williams
Material de la tubería
C
Tubería recta lisa nueva
(cobre - plomo)
140
Tubería de acero lisa nueva
120
Tubería de fundición nueva
110
Tubería de fundición usada
100
Tubería de fundición vieja
80
Tubería de fierro galvanizado
90
Darcy Weisbach
Siendo :
Hf = Pérdidas de carga (m)
d = Diámetro interno de la tubería (m)
Q = Gasto o caudal (m3/s)
L = Longitud del tubo (m)
f = Coeficiente de fricción (adim)
v = Velocidad del flujo (m/s)
g = Gravedad (9.81 m/s2)
Ya que :
La fórmula queda de la siguiente forma :
Usando : Hf, en metros ; L, en metros ; Q, en litros por minuto ; y d, en milímetros.
Despejando para el diámetro :
y para el gasto
Para calcular el coeficiente “f” se puede usar la siguiente relación :
Fórmula de Swamme - Jain
Esta fórmula es válida para valores del Número de Reynols (Re) mayores a 4,000.
Re se calcula con la siguiente ecuación :
siendo ν = viscosidad cinemática (m2/s), la cual depende de la temperatura del fluido, para agua se tienen los siguientes valores :
Temperatura
(ºC)
ν
(m2/s)
20
1.01 x 10-6
60
0.47 x 10-6
Utilizando los valores de ν se obtiene el Número de Reynols con las siguientes relaciones :
Para agua fría (20º C)
Para agua caliente (60º C)
Usando. Q en LPM y d en mm
EL valor obtenido de Re es adimensional (sin dimensiones).
Por otra parte para calcular f se necesitan los valores de la rugosidad absoluta “ε” en milímetros, para el cobre y latón el valor es igual a 0.0015 mm.
El siguiente cuadro muestra la rugosidad relativa (e/d) para los diferentes diámetros de tubo de cobre rígido tipo “M”.
Valores de Rugosidad Relativa para tubo de cobre rígido tipo “M”
Diámetro
Nominal
(mm)
Diámetro
Interior
(mm)
Rugosidad Relativa
(ε/d)
6
8.255
1.817x10-4
10
11.430
1.312x10-4
13
14.453
1.038x10-4
19
20.599
7.282x10-5
25
26.767
5.604x10-5
32
32.791
4.574x10-5
38
38.785
3.867x10-5
51
51.029
2.940x10-5
64
63.373
2.367x10-5
75
75.718
1.981x10-5
100
99.949
1.501x10-5
Ejemplo :
Se tiene una tubería de 3/4” (19 mm) de diámetro la cual lleva un gasto de 30 LPM, con una longitud de 20 m. Determinar cual es la pérdida por fricción con la fórmula de Hazen - Williams y con la de Darcy - Weisbach.
Solución :
Utilizando H - W
Utilizando D - W (para agua fría y caliente)
Cálculo de Re :
Cálculo de f para ambas temperaturas
Y finalmente el cálculo de pérdidas
La fórmula de Darcy - Weisbach es la más exacta para el cálculo de las pérdidas en tuberías, sin embargo por lo laborioso del cálculo se utiliza con mayor frecuencia la de Hazen - Williams, que da valores muy cercanos a aquella.
Para simplificar aún más el cálculo se han elaborado nomogramas, los cuales se presentan a continuación agregando un ejemplo de uso de ellos.
Fig. 10.4. Gráfico para el cálculo del factor de presión en tubería de Cobre
Fig. 10.5. Gráfico para el cálculo del factor de presión en tubería de Fierro Galvanizado
Continuando con el ejemplo pero utilizando el nomograma para un gasto o caudal de 30 LPM se tendría el siguiente resultado :
Entrando en el eje vertical (Caudal) con 30 se traza una la línea en forma horizontal hasta que cruce con la línea diagonal de la tubería de cobre rígido tipo “M” de 3/4”, en este punto se traza ahora una línea vertical hacia abajo hasta que cruce con el eje horizontal (Presión disponible) el valor encontrado es de 1.5 kg/cm2 por cada 100 m.
El paso siguiente es transformar las unidades a metros y la longitud a 20 m, para ello se debe tener presente que 1 kg/cm2 es igual a 10 metros de columna de agua (m. c. a.), por lo tanto se tiene :
1.0 kg/cm2 es a 10 m
1.5 kg/cm2 es a x
y para 20 m :
15 m. c. a. es a 100 m de longitud
y es a 20 m de longitud
Por lo tanto Pf = 3 m
Fig. 10.5 Ejemplo de cálculo usando el nomograma
10.3. Factores de costo en una instalación hidráulica con tubería de cobre
La reducción de diámetros en las tuberías de cobre queda ampliamente demostrado al obtener los factores de rugosidad de diversas tuberías, por lo que inclusive el consumo de tubería de cobre de 10 mm de diámetro se ha visto incrementado últimamente al adop-tarse en más muebles cada vez.
La rapidez con que se instala la tubería debido a su sistema de unión y a su ligereza permiten al operario mayores rendimientos en sus jornadas de trabajo, además evita el uso de tuercas unión en lugares en donde con otros materiales roscables las cuerdas quedarían encontradas.
La resistencia a la corrosión es mayor que la de cualquier metal ferroso, proporciona la seguridad de que es un material duradero, de buena calidad y que permite el mismo flujo durante toda su vida útil.
Todo esto redunda en un ahorro considerable en los costos de la instalación tanto en la inversión original como en el mantenimiento, por lo que es conveniente para realizar instalaciones de insuperable calidad, duración y fáciles de instalar, usar tubería de cobre.
10.4. Simbología de instalaciones hidráulicas
Alimentación agua fría de la toma a tinaco o cisterna

Tubería de agua fría

Tubería de agua caliente

Tubería de retorno







Tubería de vapor

Tubería de agua destilada

Tubería sistema contra incendio

Válvula de compuerta







Válvula de Globo

Válvula check

Válvula check con filtro

Válvula de seguridad







Válvula de compuerta angular

Válvula de globo angular

Bomba

Codo de 90º







Codo de 45º

Te

Ye

Tuerca unión
10.4.1. Claves para la interpretación de proyectos de instalaciones hidráulicas
AL.
C. A.
C. A. C.
C. A. F.
C. D. A. F.
C. V.
D. A. C.
D. A. F.
R. A. C.
S. A. C.
B. A. C.
S. A. F.
Alimentación
Cámara de aire
Columna de agua caliente
Columna de agua fría
Columna de distribución de agua fría
Columna o cabezal de vapor
Derivación de agua caliente
Derivación de agua fría
Retorno de agua caliente
Sube agua caliente
Baja agua caliente
Sube agua fría
B. A. F.
R. D. A. C.
R. D. A. F.
R. D. R.
T. A. C.
T. M.
T. R. A. C.
V. A.
V. E. A.
R. P. I.
C. P. I.
Baja agua fría
Red distribución de agua caliente
Red distribución de agua fría
Red de riego
Tubería de agua caliente
Toma municipal
Tubería de retorno agua caliente
Válvula de alivio
Válvula eliminadora de aire
Red protección contra incendio
Columna protección contra incendio

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