CURSO DE ACTUALIZACIN PROFESIONAL DISEO Y CALCULO EN PROYECTOS DE INSTALACIONES DE GAS NATURAL Y GLP EN EDIFICIOS MULTIFAMILIARES Y CENTROS COMERCIALES

Expositor: Ing. Danilo Valenzuela Oblitas Gerente General de CEDEGASvalenzuelao@speedy.com.peTlf: 471-7222

Para el diseo de las instalaciones internas de gas natural seco, se debe considerar entre otros los siguientes aspectos bsicos.

Mxima cantidad de gas natural seco consumido por los aparatosMnima presin de gas natural seco requerido por los artefactos a gasLas precisiones tcnicas para atender demandas futurasEl factor de simultaneidad asociado al clculo del mximo consumo probableLa gravedad especfica y el poder calorfico del gas natural seco.1. Criterios para el diseo y dimensionamiento del sistema de tuberas.

La cada de presin en la instalacin interna y el medidorLongitud de la tubera y cantidad de accesoriosVelocidad permisible del gasInfluencia de la altura (superior a los 10 m)Material de las tuberas y accesorios.1. Criterios para el diseo y dimensionamiento del sistema de tuberas.

1.1.- caractersticas del gas distribuido 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).Familia y denominacin del gas (GN, GLP, o gas manufacturado).Poder calorfico superior (PCS) y poder calorfico inferior (PCI), ambos en condiciones standard.Gravedad especfica o densidad relativa del gas suministrado.

Datos del gas natural segn la Norma NTP111.011

ndice de WobbeGrado de humedad (contenido de vapor de agua)Presin garantizada a la salida de la llave de acometida.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.Caractersticas de los armarios de regulacin.

1.1.- caractersticas del gas distribuido

1.2.- Tipo de instalacin a disear 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:Edificios de nueva construccinEdificios ya construidosA 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 ya los edificios esten 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.

Para las viviendas y locales comerciales es importante definir el grado de gasificacin.1.2.- Tipo de instalacin a disear

Grados de gasificacin El grado de gasificacin de una vivienda o un local colectivo o comercial es la previsin de potencia simultanea mxima individual con que se quiere dotar a los mismos.Se establecen los siguientes grados de gasificacin (norma espaola)Grado 1.- Se prevee una potencia simultanea mxima individual de 30 kW.Grado 2.- Se prevee una potencia simultanea mxima individual que este comprendida entre 30 y 70 kW. (25.8 y 60.2 te/h)Grado 3.- Se prevee una potencia simultanea mxima individual superior a 70 kW. ( mayor a 60.2 te/h)

1.3.- Consumo de los aparatos a gas. Determinacin del caudal nominal de un aparato a gasEl 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:1.3.- Consumo de los aparatos a gas. Determinacin del caudal nominal de un aparato a gas Donde: Pn = Gc = gasto calrico expresado en kW (referido al PCS) PCS= Poder calorfico Superior expresado en kWh/m3Qn = Caudal nominal del aparato a gas expresado en m3(s)/hPara 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 8450 a 10300 kcal/m3(s), (para el caso de equipos de fabricacin espaola, con sus caudales nominales, se muestra la siguiente tabla.

Continuacin Tabla N 2

Continuacin N 2

Aparatos de Calefaccin central por aire caliente a circulacin forzada0,070 dm3 - 0,090 dm3200kcal/h840kJ/h0,090 dm3 - 0,120 dm334014280,225 dm3 - 0,300 dm3650kcal/h2730kJ/h

Secadores de ropa Consumo aproximado a 1000 kcal/h (4200kJ/h) por kg de ropa hmeda (centrifugada) Equipos con consumos de: 2000 a 4000 kcal/h (8400 - 16800 kJ/h)

1.4.- Caudal mximo de simultaneidad de instalaciones individualesCuando 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:

Qsi = Caudal mximo de simultaneidad de la vivienda o instalacin individualQ1 y Q2 = Caudales nominales de los aparatos de mayor consumo (m3/h)(s).Q3, Q4, Qn = Caudales del resto de los aparatosNota.- Si el caudal de simultaneidad de una instalacin individual es inferior al grado 1 de gasificacin, es decir la potencia simultanea mxima individual sea menor a 30 kW (25800 (kcal/h), deber tomarse como mnimo este caudal (*)(*) Para el caso peruano falta definir este valor

1.5.- Caudal mximo de simultaneidad de acometidas interiores e instalaciones comunesEl 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 originndose como mnimo el caudal del grado 1 de gasificacin para las viviendas que no tienen previsto sus aparatos, este resultado se multiplica por el coeficiente de simultaneidad que es funcin del nmero de viviendas y el tipo de aparatos instalados.

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.

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

1.6.- Potencia nominal de utilizacin simultnea Pnsc= Qsc . Pcs

Donde : Pnsc= Potencia nominal de utilizacin simultanea de la acometida interior o de la instalacin comn (kW (kcal / h).Qsc= Caudal mximo de simultaneidad de la acometida (m3/h)(S)Psc= Poder calorfico del gas kWh/m3 (s) kcal/m3(s) Potencia nominal de utilizacin simultanea de una instalacin individual.

Pnsi=Qsi.Pcs

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 con las paredes del tubo y tambin debido a las diversas accesorios fitting s de la instalacin (codos, vlvulas, filtros, derivaciones, reducciones, etc).Las formulas de la dinmica del gas establecidas determinan las perdidas de carga debido a la friccin de 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).

Le= Lr + (20%) Lr

Donde: Lr= Longitud real en (m) Le= (20% Lr)= Tramo equivalente a los accesorios (m). Le= Longitud equivalente (m). En resumen:Le= 1.2LrLongitud equivalente (calculo aproximado).

Para un calculo mas exacto de las perdidas se emplean tablas experimentales en funcin del dimetro de los accesorios, as por ejemplo en el caso de las normas colombianas se recomienda calcular este tramo en base a la relacin del dimetro y longitud de cada tramo, donde se encuentra el accesorio. Le= Dt x Rel(L/D)Le = Tramo equivalente Dt= dimetro interno de la tubera en m. Rel(L/D) =Relacin longitud dimetro de cada accesorio (se muestra en la tabla 3) Longitud equivalente (calculo exacto).

Tabla 3: Relacin longitud diametro de accesorios Rel(L/D) Se desprecia la cada de presin en reducciones uniones rectas y vlvulas esfricasde paso directo (sin reduccin de recesin)

Accesorios Rel(L/D)Codos a 45 14Codos a 90 30Tee con flujo a 90 60Tee a travs del flujo 20

Longitud equivalente (calculo exacto). Para el caso peruano considerar 20% de incremento en la longitud real para determinar la longitud equivalente solo se aplica para instalaciones residenciales y comerciales. 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

CALCULO DE LA PRDIDA DE CARGA EN LOS TRAMOS DE UNA INSTALACIN

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 4.1. Mtodo de la perdida de carga. 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 en las instalaciones industriales.

Donde: P = Diferencia de presin entre el inicio y el tramo de instalacin considerado en mbar. dr= Densidad relativa del gas Le= Longitud equivalente del tramo en m.Q= Caudal en m3/h (s)D=Dimetro interior de la tubera en mm.

P = 23200 dr.Le. Q1.82.D-4.82A). Frmula de Renouard Lineal

pi2 - pf2 = 48.6. dr.Le. Q1.82.D-4.82Donde:pi y pf = Son las presiones absolutas al inicio y al final del tramo considerado en bar.dr = Densidad relativa del gasLe = Longitud equivalente del tramo en m.Q = Caudal en m3/h (condiciones Standard)D = dimetro interior de la conduccin en mm. B) Frmula de Renouard cuadrtica (p >100 mbar y Q/D< 150)

Velocidad mxima del gas.

Para determinar la velocidad mxima del gas dentro del tramo de conduccin se aplica la siguiente frmula.

Donde: v= velocidad mxima de gas (m/s)Q = caudal en m3/h (condicin standard)P = presin absoluta al final del tramo (bar)D = dimetro interior de la tubera en mm.

Velocidad permisible segn la NTP 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.

Donde: D = dimetro interior de la tubera en el tramo considerado (cm.)Le = longitud equivalente en m.P = prdida de presin (pa)PCT = Potencia de clculo total (Mcal/h). K = factor de friccin segn dimetroCoef. = Coeficiente de Pole; Este coeficiente tiene los siguientes valores:para el gas natural es = 0.0011916 y para GLP es = 0.0017621.C) Frmula del Dr. Pole (se aplica para p 50 mbar (NTP 111.011

Para instalaciones residenciales, se puede considerar como un clculo aproximado la frmula de Pole sin considerar longitud equivalente. Para una edificacin se debe calcular la potencia instalada y la potencia de clculo total en base a factores de simultaneidad basado en frmulas y tablas experimentales empleadas en Chile y Argentina, en el Per se deben desarrollar las tablas con los datos del gas peruano y las condiciones climticas del pas.

Consideraciones para emplear la formula de Pole.

Donde: Q = Caudal en m3/h (Standard) D = dimetro interno (cm)P = prdida de carga en mmcda , dr = densidad relativa del gas Le = longitud equivalente del tramo de tuberas considerando en m. De acuerdo a la NTP 111.010, para instalaciones industriales la frmula de Pole, se expresa tambin:Formula practica de Pole

En las normas colombianas la frmula de Pole se utiliza hasta 70 mbar.Donde :Q = Caudal en m3/h (Standard) Ge = Gravedad especfica del gasD = dimetro interno (mm)P = caida de presin (mbar) Le = longitud equivalente del tramo de tuberas considerando en m.C = Factor en funcin del dimetro

Tabla N 4: Factor CNota: La frmula de Pole no es vlida para tubera flexible de acero corrugado tipo CSST.

Dimetro nominal, en pulgadasFactor c 3/8 1/21.953/4 11.801 - 1 1.98220.1632.3442.42

Las normas colombianas para presiones mayores a 70 mbar recomiendan la frmula de Mller .

La unidades y los smbolos son las mismas de la frmula de Pole5.- Para presiones altas se recomienda la siguiente frmula

Para dimensionar tuberas que transportan fluidos compresibles, bajo condiciones isotrmicas y para tuberas horizontales, se encuentra expresada en la frmula general obtenida aplicando la ley de conservacin de la energa.

Donde: Q= Caudal en m3/h a pb y tb , D = dimetro interno en mm.pb = Presin base absoluta en bar. Tb = Temperatura base en K(1/f)0.5 = factor de transmisin sin dimensionesP1 = presin absoluta de entrada en bar, P2 = presin absoluta de salida en barG = gravedad especfica (aire = 1) , L = longitud de la tubera en m. T = Temperatura promedia del gas que fluye en grados kelvin (K)Z = factor de comprensibilidad a las condiciones promedio, Z = 1, (p< 7 bar)Para el factor de transmisin, diferentes autores han propuesto frmulas para calcularlo, algunos en funcin del nmero de Reynolds otros en funcin del dimetro de la tubera.

6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO1. 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.

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. De ser inferior al correspondiente al Grado 1 de gasificacin o alguna vivienda no se conecta a la instalacin comn, se le asignar como mnimo el caudal de simultaneidad correspondiente a dicho Grado 1 de gasificacin.

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.6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO

6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO7. 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.

9. 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.

6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO

6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO12. 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 tramoVelocidad del gas en el tramo

6.- PROCEDIMIENTO DE CLCULO

Ejemplo Ejemplo: Supongamos una instalacin de 4 tramos al cual se conectan 4 artefactos (red radial)

Ejemplo 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.

Ejemplo

Ejemplo

Prdidas de carga en Instalaciones receptorasde viviendas unifamiliares conectadas a redes en media presin B

Instalaciones receptoras de viviendas plurifamiliares con doble regulacin

Instalaciones receptoras en edificios ya construidos conectados a redes de media presin B

Instalacin receptora comercial conectado a una red MPB

Instalaciones receptoras plurifamiliares polivalentes para GLP y GN.

Instalacin Unifamiliar conectada a una red de MPA

Instalacin plurifamiliar con regulacin centralizada conectada a un a red MPA

Instalacin plurifamiliar con medicin individual conectada a una red MPA

Instalacin receptora conectada a red de baja presin

NTP 111.011

NTP 111.011

NTP 111.011

Esquema tpico de una instalacin interna Edificio viviendaNTP

EJEMPLOS DE CALCULOS1.- Supongamos que contamos con una casa habitacin de rea 200m2 y rea construida de 120 m2, que cuenta con ambientes de sala comedor cocina, bao y 3 dormitorios (2 pisos techo azotea). Consideremos que en esta casa se tiene una terma de acumulacin y una cocina funcionando en la misma.La potencia nominal de los artefactos son:Potencia nominal de la cocina = 3600 kcal/h (s)Potencia nominal de terma = 11700 kcal/h (s)

Variacin de la presin con la altura de una edificacin Cuando los edificios tengan una altura superior de 10 m se debe de considerar la variacin de la presin de altura para tuberas verticales.

= Variacin de presin con la altura en Pa. dr= densidad relativa del gas h=altura en m.

* Con esta cada de presin debe de corregirse las cadas de presin reales obtenidas por las formulas establecidas, en las tuberas verticales

GRACIAS

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