Diseño y cálculo de instalaciones de gas en edificaciones residenciales

y comerciales, empleando el método de la pérdida de carga

El método de la pérdida de carga empleado para el diseño de una instalación receptora de gas es un método práctico y versátil que se puede emplear en cualquier tipo de instalación de gas, donde la red diseñada sea radial, consiste básicamente 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 caída de presión es proporcional a la longitud del tramo independiente del diámetro. A continuación se muestra la aplicación de esta metodología al diseño de una red interna de una instalación de gas residencial y/o comercial en una edificación. El diseño de las instalaciones internas de gas natural seco y GLP, se debe considerar entre otros los siguientes aspectos básicos.

Máxima cantidad de gas natural seco consumido por los aparatos Mínima presión de gas natural seco requerido por los artefactos a gas Las precisiones técnicas para atender demandas futuras El factor de simultaneidad asociado al cálculo del máximo consumo

probable La gravedad específica y el poder calorífico del gas natural seco. La caída de presión en la instalación interna y el medidor Longitud de la tubería y cantidad de accesorios Velocidad permisible del gas Influencia de la altura (superior a los 10 m) Material de las tuberías y accesorios.

La concesionaria de distribución debe proporcionar los siguientes datos del gas empleado para proceder al diseño de una instalación receptora. En el caso peruano la empresa encargada de la distribución se llama Cálidda, anteriormente se llamaba GNLC (Gas Natural de Lima y Callao). Además para dimensionar las tuberías y trazar el isométrico del sistema de suministro de gas deberíamos conocer:

• La presión garantizada a la salida de la llave de acometida. • La presión mínima a la salida del regulador y medidor. • La pérdida de carga admitida en cada tramo de la red de tuberías. • El diámetro nominal de la llave de acometida y características del tubo de

conexión. • Las características y dimensiones de los armarios de regulación. Para el cálculo de una instalación receptora es importante tenerse en cuenta el tipo de edificación en el que se va a realizar la misma, pues de acuerdo al tipo de edificación varía la tipología de la instalación.

Las instalaciones receptoras de gas pueden alimentar a los siguientes tipos de edificaciones: a) Edificios de nueva construcción 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 más de 5 pisos - Locales destinados a usos colectivos o comerciales (hoteles, restaurants, centros comerciales, colegios, hospitales, etc.) En el caso que los edificios ya estén construidos y estos cuenten con instalaciones receptoras de GLP, se debe evaluar su conversión 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 calórico o potencia calórica útil y del poder calorífico superior del gas distribuido. El gasto calórico de un aparato a gas es la potencia que consume en su funcionamiento normal, que no debe confundirse con la potencia útil o nominal que es la que entrega el aparato. El gasto calórico de un aparato a gas puede venir expresado en base al poder calorífico superior o inferior del gas. Para calcular el caudal nominal de un aparato a gas se debe dividir el gasto calórico indicado en su placa por el fabricante (expresado en base al PCS o PCI), sobre el poder calorífico superior o inferior.

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

PCSPQ n

n =

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

(referido al PCS) PCS= Poder calorífico 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 características, puede considerarse de manera referencial su gasto calórico (referido al PCS), considerando un poder calorífico de 8 450 a 10 300 kcal/m3(s). La Norma Técnica 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 diseño de la instalación receptora de gas en una edificación es importante conocer las potencias nominales de los artefactos que se usarán 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 fabricación española, 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 facción

Pequeña 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 º 1 : G astos ca loríficos por tipos de aparatos de fabricación Española

G asto ca loríficoT ipo de aparato

1.1 Caudal máximo de simultaneidad de instalaciones individuales Cuando en una instalación individual estén instalados más de dos aparatos a gas es poco probable que todos estén funcionando a su potencia nominal simultáneamente. Por ello a la hora de diseñar las instalaciones individuales la acometida interior y las instalaciones comunes se han de tener en cuenta los caudales máximos de simultaneidad de las instalaciones individuales domésticas que se calcularán mediante la fórmula siguiente:

2......43

21n

siQQQQQQ ++

++=

• Qsi = Caudal màximo de simultaneidad de la vivienda o instalación 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 máximo de simultaneidad de acometidas interiores e instalaciones comunes El caudal máximo de simultaneidad de acometidas interiores o de instalaciones comunes se efectuará sumando los caudales máximos 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 función del número de viviendas y el tipo de aparatos instalados.

jsisc SQQ ×∑= Donde: Qsc = caudal máximo de simultaneidad de acometida interior de la instalación común en m3/h (s). Qsi = caudal máximo de simultaneidad de cada vivienda o local (m3/h) (s). Sj= Factor de simultaneidad en función del número de viviendas que alimenta la instalación común y de acuerdo a que estén o no instalados calderas de calefacción.

Tabla 2.

Nº 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 Española

0

0

0

5

0

0

0

5

5

S1 = factor de simultaneidad cuando no hay calderas de calefacción conectadas. S2 = factor de simultaneidad cuando están conectados calderas de calefacción * En zonas climáticas frías se recomienda emplear S2

2.-Longitud e equivalente de la instalación

Al circular el gas por un conducto o tubería se produce una disminución de la presión llamada “perdida de carga”, debida a la fricción interna del fluído al atravesar por el interior del tubo y también debido a los cambios de dirección

de la velocidad y restricciones en los diversos accesorios “fitting s” de la instalación como son los codos, las válvulas, los filtros, derivaciones, reducciones, etc. Las formulas de la dinámica de fluídos establecidas para el flujo de gas a lo largo de las tuberías solo determinan las perdidas de carga debido a la fricción interna en las tuberías, pero no las perdidas causadas por los accesorios. Para determinar estas perdidas existen varios métodos, pero en este caso, para simplificar el cálculo incrementaremos la longitud del tramo en un 20% denominándole a esta longitud “longitud equivalente” (Le).

2.1 Longitud equivalente (calculo aproximado).

Le= Lr + (20%) Lr Donde: Lr= Longitud real del tramo de tubería 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 función del diámetro de los accesorios, en general se recomienda calcular este tramo en base a la relación del diámetro y longitud de cada tramo, donde se encuentra el accesorio.

∆Le= Di x Rel(L/D) ∆Le = Longitud de tramo equivalente en m. Di = Diámetro interno de la tubería en mm. Rel(L/D) =Relación longitud diámetro de cada accesorio (se muestra en la tabla 3)

Tabla 3 : Relación longitud equivalente vs diámetro de accesorios Rel(L/D)

Accesorios Rel(L/D)

Codos a 45 º 14

Codos a 90 º 30

Tee con flujo a 90 º 60

Tee a través del flujo 20

Para instalaciones comerciales, se desprecia la caída de presión en reducciones, uniones rectas y válvulas esféricas de paso directo (sin reducción de recesión) 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 presión, se debe considerar las pérdidas 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 Técnica peruana NTP 011.010, presenta una tabla para estimar los valores de la longitud equivalente de estos accesorios

3. Perdida de carga en una instalación receptora (∆P) La pérdida de carga de una instalación receptora es la disminución de presión que se produce en la circulación del gas desde el ingreso a la red receptora hasta los aparatos que conforman el gas. La pérdida de carga de una tubería se distribuye en cada tramo y con fines prácticos se realiza de manera proporcional a la longitud de cada tramo. La perdida de carga admitida variara en función de la presión de operación que garantizará al concesionario 3.1 Pérdida de carga admisible

– Gas en baja presión (BP) La pérdida de carga (caída de presión) 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 presión inicial de entrada en BP.

– Gas a media presión(MPA) La pérdida de carga (caída de presión) entre el inicio de la instalación y el regulador, funcionando la totalidad de los artefactos a instalar, no debe exceder el 5% de la presión de entrada.

– Gas a media presión (MPB) La pérdida de carga (caída de presión) entre el inicio de la instalación y el regulador funcionando la totalidad de los artefactos a instalar, no debe exceder del 10% de la presión de entrada.

4. Formula aplicables para el diseño del sistema de tuberías para circulación de gas natural Para calcular la perdida de carga en un tramo de instalación se puede utilizar la formula de Renouard Lineal para baja presión y media presión A (hasta100 mbar). Para media presión B y media presión A superior a 100 mbar se usa la formula de Renouard cuadrática la cual se aplica también en las instalaciones comerciales e industriales. 01) Fórmulas para la caída de presión: Fórmula de Renouard Lineal, cuando mbarP 100≤Δ

82.482.123200 −××××=Δ DQLdrP e Donde: mbarP =Δ dr =densidad relativa meneequivalentLongitudLe =

)(/3 shmencaudalQ = D = diámetro interior de la tubería en mm 02) Formula de Renouard Cuadrática(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 = Diámetro interno en mm. 03) Velocidad máxima del gas.

2

354PD

QV =

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

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

En el caso de instalaciones en baja presión también se puede aplicar la fórmula de Pole.

er LdPDQ

×Δ×

=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 CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE UNA INSTALACION DE GAS NATURAL 1. Conocer las características del gas que se suministrará a la instalación receptora, así como su presión de distribución. Estos datos deben solicitarse a la Empresa Suministradora. 2. Realizar el trazado de la instalación receptora según las características de la edificación, determinando la longitud de cada tramo de instalación y seleccionar la arteria principal. Para ello se dibujará el plano isométrico de la instalación 3. Elegir el material con el que se construirá la instalación receptora. Para los tramos de instalación receptora a partir del armario de regulación se podrá utilizar cobre, acero o acero inoxidable. Para los tramos de instalación receptora anteriores al armario de regulación se podrá utilizar acero, cobre o polietileno, recomendándose éste último si se trata de un tramo enterrado o empotrado con vaina. 4. Determinar los caudales nominales de cada aparato instalado o previsto en cada instalación. 5. Determinar el caudal máximo de simultaneidad de cada vivienda del edificio. 6. Determinar el caudal máximo de simultaneidad de la acometida interior, si existe, y de la instalación común, considerando los caudales máximos de simultaneidad de todas las viviendas, estén conectadas a la instalación común o no. 7. Determinar la longitud equivalente de cada tramo de instalación receptora. 8. Conocer la distribución de la pérdida de carga y el diámetro mínimo en cada tramo de la instalación receptora. En aquellos casos en los que se haya asignado una pérdida de carga a una parte de la instalación que contenga más de un tramo, se procederá a determinar la pérdida de carga de cada tramo utilizando el concepto de pérdida de carga por metro lineal según la siguiente expresión:

Siendo i el número de tramos Iniciar el proceso de cálculo determinando el diámetro teórico mínimo del primer tramo, utilizando para ello la fórmula de Renouard, en la que Le es la longitud equivalente del tramo estudiado, ∆P la pérdida de carga determinada en el paso 8, Q el caudal máximo de simultaneidad que circulará por el tramo en condiciones de referencia y dr la densidad relativa del gas respecto del aire. 10. Elegir el diámetro comercial del tubo igual o superior respecto al teórico obtenido mediante el cálculo anterior, teniendo en cuenta los criterios de diámetros mínimos determinados en el paso 8. 11. Determinar la pérdida de carga real del tramo mediante la fórmula de Renouard, tomando ahora como diámetro el correspondiente al interior del tubo comercial elegido en el paso 10, la longitud equivalente del tramo, el caudal de circulación del mismo y la densidad relativa del gas. 12. Determinar la nueva pérdida de carga a utilizar en el tramo siguiente (i+1) utilizando para ello la siguiente fórmula:

(*) Debe utilizarse la pérdida 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 pérdida de carga máxima 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 diámetros comerciales de todos los tramos de la instalación receptora, se realiza un cuadro resumen del diseño de la instalación receptora por tramos, en los que se incluirá, como mínimo, lo siguiente:

• Longitud real del tramo. • Material de la conducción del tramo. • Diámetro comercial del tramo. • Pérdida de carga real del tramo. • Caudal máximo del tramo. • Presión inicial y final del tramo • Velocidad del gas en el tramo

Ejemplo: Supongamos una instalación de 4 tramos al cual se conectan 4 artefactos (red radial) Para determinar la pérdida de carga real de cada tramo se procede de la siguiente manera:

Se toma el recorrido mas largo como el crítico y se determina la pérdida de carga de cada tramo, empezando por el primero.

Tramo 2 Tramo30 42 31 Tramo1 Tramo 4

A4 A3 A2

∆L4 ∆L3∆L2∆L1Gas

A1

432104 PPPPPPPTotal Δ+Δ+Δ+Δ=−=Δ

1.- Tramo 1: Pérdida de carga

TotalT

PLLP Δ×=Δ 1

1 nouardcalculasedatoestecon Re→ lineal empleando el diámetro

comercial.

Luego con el diámetro comercial se toma el diámetro interno y se halla la caída de presión real nuevamente empleando Renouard lineal y se halla la caída de presión real del tramo: rreal PP 11 Δ=Δ

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

( ) →⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

Δ−Δ=Δ1

212 LL

LPPPT

rT con este dato análogamente se determina el

diámetro comercial empleando Renouard lineal, luego ∆P2r

3.- Tramo 3: Análogamente

( )[ ] ( )( ) rT

rrT PLLL

LPPPP Δ⇒

+×Δ+Δ−Δ=Δ

21

3213

4.- Tramo 4: Del mismo modo:

( )rrrT PPPPP 3214 Δ+Δ+ −Δ=Δ Δ

( )[ ] ( )321

4321 LLLL

LPPPPPT

rrrTr ++−×Δ+Δ+Δ−Δ=Δ

De aquí por analogía se puede obtener la siguiente fórmula para cualquier tramo de un recorrido de “n” tramos.

( )( )∑∑ −

×Δ−Δ=Δ ++

itotal

iirTotali LL

LPPP 1

1

6.- Ejercicio da aplicación: Diseño de una instalación de gas de un departamento de un edificio multifamiliar. (en el archivo siguiente)