Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Unidad FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos MÓDULO Instalaciones de Agua y Gas Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: INSTALACIONES DE AGUA Y GAS Dirección: Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Susana Rodríguez Ordóñez Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Nuria Biforcos Fernández Laura García Fernández María Mera López Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 978-84-690-8587-5 Depósito Legal: AS-05741-2007 Copyright: © 2007. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. 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Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Sumario general Objetivos ............................................................................................ 4 Conocimientos ..................................................................................... 5 Introducción......................................................................................... 6 Contenidos generales............................................................................ 6 Propiedades de los fluidos.................................................................. 7 La presión .......................................................................................... 13 Hidrostática e hidrodinámica ............................................................. 24 Redes de distribución......................................................................... 35 Gases combustibles............................................................................ 39 Resumen de contenidos ........................................................................ 44 Autoevaluación .................................................................................... 46 Respuestas de actividades ..................................................................... 48 Respuestas de autoevaluación............................................................... 50 3 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Objetivos Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de: Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Definir los conceptos de fluido y presión. 4 Determinar las propiedades que diferencian a los fluidos. Distinguir y medir los distintos tipos de presión que se dan en un circuito. Explicar el comportamiento de los fluidos dentro de un circuito, en reposo y en movimiento. Conocer los tipos de redes de suministro de agua y gas. Identificar las formas en que se comercializan los gases combustibles. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOS • Concepto y propiedades más importantes de los fluidos: peso específico, densidad, volumen específico, compresibilidad, viscosidad. • La presión y los distintos tipos de presión: atmosférica, absoluta y relativa; estática, dinámica y total. • Hidrostática: presión hidrostática, principio de Pascal. • Hidrodinámica: caudal, ecuación de continuidad, ecuación de Bernouilli, pérdidas de carga, efecto Venturi. • Tuberías ramificadas, en serie y en paralelo. • Gas envasado, gas a granel y gas canalizado. PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS • Diferenciación de fluidos. • Aplicación de las leyes básicas que rigen el comportamiento de los fluidos. • Medida de los distintos tipos de presión en un circuito. • Aplicación de leyes y ecuaciones para resolver cuestiones del funcionamiento de los circuitos. ACTITUDESS • Tomar conciencia de la importancia de las propiedades y comportamiento de los fluidos para el estudio de las instalaciones de agua y gas. 5 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Introducción Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Diariamente, utilizamos una instalación de agua o una instalación de gas tantas veces que nuestra vida sería muy distinta sin ellas. 6 Piensa cómo pasarías el invierno sin agua caliente ni calefacción en tu vivienda, o imagina que no saliera agua de ningún grifo. Sólo son dos ejemplos, pero ilustran la importancia de las instalaciones de agua y de las instalaciones de gas en una sociedad desarrollada. En este módulo estudiaremos el diseño, el montaje, el mantenimiento y la normativa que afecta a estas instalaciones. Como indica el nombre del módulo, por ellas circula, bien agua o bien gas, que son fluidos, así que en esta primera unidad vamos a exponer los conceptos básicos para conocer las propiedades y entender el comportamiento de los fluidos. Contenidos generales A lo largo de esta unidad sentaremos los conocimientos básicos sobre las propiedades de los fluidos y las leyes generales que gobiernan su comportamiento. También identificaremos los aparatos para realizar medidas de presión. Estos conocimientos son necesarios para poder estudiar en las siguientes unidades el funcionamiento de los circuitos de las instalaciones de agua y de gas. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Propiedades de los fluidos ∂Sabrías explicar qué es un fluido? Quizá te cueste expresar con claridad tu idea; aquí va una definición muy simple: fluido es cualquier sustancia que fluye con facilidad, es decir, cualquier líquido, gas o vapor. Y ∂cuáles son las propiedades más relevantes de los fluidos? ∂Cómo se caracterizan esas propiedades? ∂Qué unidades de medida se utilizan para cuantificarlas? Para caracterizar y diferenciar un fluido de otro e incluso de un cuerpo o materia sólida se recurre a los valores correspondientes a algunas de sus propiedades físicas. Fíjate en las que describimos a continuación, son habitualmente las más utilizadas. Densidad La densidad de una sustancia se define como su masa por unidad de volumen. volumen Matemáticamente, la densidad (ρ) se halla dividiendo la masa de un cuerpo entre el volumen que ocupa: ρ=m/V La unidad de densidad en el S.I. es el kg/m3, aunque frecuentemente se usen otras unidades de densidad: kg/l, g/l o g/cm3; por ejemplo, es habitual encontramos que la densidad del agua es 1kg/l. ∂Qué significa que una materia tenga alta o baja densidad? Observa la siguiente tabla; en ella se recogen los valores de densidad de distintos elementos y compuestos. Sustancia Densidad (kg/m3) a 20 oC Hierro 7.870 Plomo 11.300 Alcohol de 96º 810 Gasolina 680 CO2 1,8 Butano 2,6 Tabla 1: Valores de densidad. 7 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Como ves, los cuerpos sólidos del ejemplo (hierro o plomo), tienen una densidad más elevada que los cuerpos líquidos (alcohol o gasolina). Esto quiere decir que un kilogramo de plomo o de hierro ocupa menos volumen que un kilogramo de gasolina o de alcohol; y estos últimos, a su vez, tienen mayor densidad que los gases (dióxido de carbono o butano), es decir, un kilo de dióxido de carbono o de butano ocupa más volumen que un kilo de gasolina o de alcohol, y por supuesto que un kilo de hierro o de plomo. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Peso específico 8 El peso específico de una sustancia es lo que pesa un volumen determinado de esa sustancia. Matemáticamente, el peso específico se calcula dividiendo el peso (p) de un cuerpo entre el volumen (V) que ocupa. pe = p / V Como el peso es la masa (m) por la gravedad (g), el peso específico se relaciona con la densidad de la siguiente forma: pe = p / V = (m x g) / V = ρ x g Es decir: pe = ρ x g Por tanto, la misma reflexión que hemos hecho con la densidad es válida para el peso específico (recuerda los ejemplos de la Tabla 1). La unidad de peso específico en el S.I. es el N/m3. Volumen específico El volumen específico de una sustancia es el volumen que ocupa la unidad de masa de dicha sustancia. Matemáticamente, el volumen específico se halla dividiendo el volumen que ocupa un cuerpo entre su masa. Ve = V / m El volumen específico también se puede hallar como: Ve = V / m = 1 / (m / V) = 1 / ρ Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Es decir: Ve = 1 / ρ La unidad de volumen específico en el S.I. es el m3/kg El volumen específico es la inversa de la densidad, así que los gases tendrán un volumen específico mayor que los líquidos y éstos, a su vez, tendrán un volumen específico mayor que los cuerpos sólidos. Como sabes, el volumen es una propiedad de los cuerpos que varía con la presión y con la temperatura. Fíjate cómo varía el volumen con el aumento de presión y temperatura. VARIACI‡N DEL VOLUMEN Sólidos Líquidos Gases Aumento de presión Apenas disminuye Disminuye poco Disminuye muchísimo Aumento de temper tempera mperatura Apenas aumenta Aumenta más Aumenta muchísimo Tabla 2: Variación del volumen para los distintos estados de la materia. Puedes comprobar con las definiciones anteriores que, la densidad, el peso específico y el volumen específico son propiedades de los cuerpos que dependen de su volumen y, por lo tanto, también varían con la presión y la temperatura. Cuando aumenta la temperatura, la densidad, el peso específico y el volumen específico varían de la siguiente forma: VARIACI‡N CON EL AUMENTO AUMENTO DE TEMPERATURA Densidad (ρ (ρ) Peso especí específico (pe) Volumen específi específico (Ve) Sólidos Apenas disminuye Apenas disminuye Apenas aumenta Líqui Líquidos Disminuye más Disminuye más Aumenta más Gases Disminuye muchísimo Disminuye muchísimo Aumenta muchísimo Tabla 3: Variación de la ρ, el pe y el Ve en función de la temperatura. 9 1 ctividad a Módulo: Instalaciones de Agua y Gas ∂Eres capaz de predecir cómo varían la densidad, el peso específico y el volumen específico cuando se produce un aumento de presión? Observa las tablas 2 y 3 e intenta completar la que te proponemos a continuación. VARIACI‡N CON EL AUMENTO AUMENTO DE PRE PRESI‡N Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Densidad (ρ (ρ) 10 Peso especí específico (pe) Volumen específi específico (Ve) Líqui Líquidos Gases Fluidez La fluidez es una propiedad de los líquidos y los gases (fluidos). Está relacionada con la movilidad de sus moléculas y su capacidad de tomar la forma del recipiente que los contiene. Así se habla de que un líquido es más o menos fluido. Por ejemplo, entre los líquidos es muy fluido el alcohol y poco fluido el aceite. Viscosidad La viscosidad de una sustancia es la resistencia que oponen al movimiento las moléculas de dicha sustancia. Cuando se hace referencia a la viscosidad se puede estar hablando de dos magnitudes distintas: La viscosidad dinámica. dinámica Su unidad en el S.I. es el Pascal x segundo (Pa x s). También es frecuente expresarla en poise. La relación entre ambas unidades es la siguiente: 1 Pa x s = 10 poise Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos La viscosidad cinemática. cinemática Se obtiene al dividir la viscosidad dinámica entre la den- sidad del fluido y se expresa en unidades de superficie por unidad de tiempo. La unidad de viscosidad cinemática en el S.I. es el m2/s. Otras unidades de viscosidad cinemática usadas frecuentemente son el Stoke (St = cm2/s) y el centistoke (cSt), que es la centésima parte del Stoke. La relación entre estas unidades es la siguiente: 1 St = 1 cm2/s = 10-4 m2/s En los fluidos, la viscosidad está inversamente relacionada con la fluidez, es decir, cuanto más viscosa es una sustancia, menos fluida es. Debido a esto y, retomando los líquidos que utilizamos para el ejemplo de fluidez, concluimos que el aceite es muy viscoso mientras que el alcohol muy poco viscoso. Sustancia Viscosidad (Pa x s) a 20 oC Aceite de ricino Alcohol 1,2 0,00122 Tabla 4: Viscosidad a 20 oC. Es importante que tengas en cuenta que la viscosidad en los líquidos aumenta cuando disminuye la temperatura, pero apenas varía con las oscilaciones de presión. Ejemplo Habrás comprobado innumerables veces cómo el aceite se vuelve más fluido o menos viscoso, cuando se calienta y, por el contrario, resulta más viscoso cuando se enfría. Compresibilidad La compresibilidad es la propiedad que tienen algunas sustancias de red educir educir consideraconsiderablemente su volumen cuando aumenta la presión a la que están sometidas dichas sustancias. Todos los fluidos son compresibles aunque conviene matizar que mientras los líquidos son muy poco compresibles, apenas varían su volumen con los cambios de presión, los gases disminuyen mucho su volumen cuando aumenta la presión a la que están sometidos. 11 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Vamos a hablar ahora del caudal; caudal si bien no es una propiedad de los fluidos, es una magnitud física que debes conocer puesto que la vas a encontrar y manejar muchas veces durante tu vida profesional, cuando consultes manuales o características de máquinas y equipos. Caudal 12 Si esa ≈cantidad de fluido∆ la medimos en volumen volumen, umen obtenemos el caudal volumévolumé- trico. trico. Matemáticamente tiene la siguiente expresión: Q = V / t. La unidad del caudal volumétrico en el S.I. es el m3/s, pero se trata de una unidad muy grande, así que se utilizan otras como el l/min o el m3/h. Si esa ≈cantidad de fluido∆ la medimos como masa, masa obtenemos el caudal má másico. sico. Su uso industrial es menos habitual que el anterior. Matemáticamente tiene la siguiente expresión: Qm = m / t La unidad del caudal másico en el S.I. es el kg/s. Es fácil intuir que el caudal volumétrico y el caudal másico están relacionados entre sí, pero, ∂de que manera? Para averiguarlo recuerda la definición de densidad: ρ=m/V Q x ρ = (V / t) x (m / V) = m / t = Qm, es decir: Qm = Q x ρ 2 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor El caudal es la cantidad de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo. tiempo a Expresa en las unidades del S.I. la densidad, el peso específico y el volumen específico del agua. Te damos una pista: 1 l = 1 dm3. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos La presión El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Con ella es posible determinar el nivel líquidos, el flujo de fluidos, el por qué de algunas fugas, la temperatura de vapor de aguaº Para controlar la presión existen instrumentos de medida ∂conoces alguno?∂Una presión excesiva ocasionaría daños en máquinas o instalaciones? La presión es una magnitud física muy ≈familiar∆ pues la utilizamos muy a menudo aplicada a muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. Así hablamos de altas y bajas presiones en relación con el tiempo atmosférico; decimos que las ruedas del coche están bajas de presión..... Pero se confunde con frecuencia con otros conceptos; es muy corriente que se emplee el concepto de presión cuando se quiere hablar de fuerza, así se dice que a una persona se la ≈fuerza∆ o se la ≈presiona∆ a tomar una decisión. Se define presión como la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo dividida por la superficie sobre la que ejerce dicha fuerza. Matemáticamente tiene la siguiente expresión: P=F/S La unidad de presión en el S.I. es el N/m2 que se denomina Pascal (Pa). Como ves, la presión que soporta un cuerpo depende de la superficie con la cual se ejerce la fuerza sobre dicho cuerpo. Lo entenderás mejor con un ejemplo: Ejemplo Imagina que el pilar de la figura pesa 1.500 N y que sus dimensiones son las de esta figura: 1m 1m 5m 13 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Ejemplo (cont.) Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Es evidente que la presión que ejerce sobre el suelo no es la misma dependiendo de por qué cara se apoye, como puedes comprobar en esta otra figura: 14 P=F/S Como la fuerza ejercida es su peso, F = 1500 N Como la superficie de la cara apoyada es: 2 S = 1m x 1m = 1 m , Resulta que el pilar así apoyado ejerce una presión sobre el suelo de: 2 P = 1500 N / 1 m = 1500 Pa 1m 1m 1m 5m P=F/S Como la fuerza ejercida sigue siendo su peso, F = 1300 N Como la superficie de la cara apoyada es ahora: 2 S = 5m x 1m = 5 m , Resulta que el pilar así apoyado ejerce una presión sobre el suelo de: 2 P = 1500 N / 5 m = 300 Pa Unidades de medida Ya sabes que la unidad de medida de la presión en el S.I. es el Pa. Pero un Pa es muy pequeño, aproximadamente es la presión que ejerce un folio sobre una mesa. Por esto, es una unidad muy poco operativa en aplicaciones comerciales o industriales y en su lugar se utilizan otras, en realidad muchas. La siguientes unidades son más habituales: kgkg-f/cm2: kilogramo √ fuerza por cm2, también llamada atmósfera técnica (at). (at) Ob- viamente, el kg-f es una unidad de fuerza, como el N, pero en un sistema de unidades distinto del S.I. No obstante, ten cuidado con esta unidad porque a veces se escribe sólo kg/cm2 aunque en realidad ese ≈kg∆ sea un ≈kg-f∆. 1 kg-f/cm2 = 98.100 Pa bar: bar: 1bar = 100.000 Pa = 105 Pa atm: atmósfera. Es el valor de la presión que ejerce la atmósfera sobre la tierra a ni- vel del mar. 1 atm = 101.300 Pa Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos mm Hg: Hg: milímetros de columna de mercurio o simplemente mm de mercurio. Esta unidad se utiliza sobre todo para medidas de presión atmosférica. 1 atm = 760 mm Hg p.s.i.: p.s.i.: es una unidad anglosajona, que aparece a veces en documentación, manua- les, catálogos o especificaciones de equipos. Su símbolo deriva de las iniciales de su nombre en inglés: pounds per square inch (libra por pulgada cuadrada). 14,7 p.s.i. = 101.352,9 Pa m c.a.: metro de columna de agua. Es la presión que ejerce una columna de agua de 1 m de altura y 1 cm2 de sección. También utilizaremos un submúltiplo de esta unidad, el mm c. a. 1 m c.a. = 9.810 Pa 1 mm c.a. = 9,81 Pa En la práctica industrial, donde los cálculos no requieren una precisión tan elevada como en estudios científicos, se pueden redondear los valores de las unidades, lo cual nos va a facilitar mucho la tarea, pues nos permitirá trabajar con las siguientes equivalencias: Tabla de equivalencias Pa 10 5 kgkg-f/cm2 bar atm mm Hg p.s.i. m c.a. 1 1 1 760 14,7 10 3 ctividad Tabla 5: Tabla de equivalencias de unidades de presión. a En las instalaciones de gases combustibles se emplean habitualmente las siguientes unidades: 1 hPa = 1 mbar = 10 mm c.a. Expresa en pascales la igualdad anterior. 15 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Tipos de presión La presión se clasifica en: atmosférica, absoluta, relativa, estática, dinámica y total. A continuación se define cada uno de estos tipos. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor o Presión atmosférica 16 La superficie terrestre está rodeada de una capa de gases que permiten el desarrollo de la vida en la Tierra y que se llama atmósfera. Esta capa de gases pesa, su peso ejerce una presión sobre la superficie de la Tierra y sobre cualquier cuerpo situado sobre ella. Esta presión se conoce como presión atmosférica. atmosférica Si recuerdas las unidades de medida, ya sabrás que su valor exacto es: 1 atm = 101.300 Pa = 760 mm Hg = 10,33 m c.a. = 1,013 bar aunque, para nuestros cálculos, nos sirva con aproximar a: 1 atm = 105 Pa = 760 mm Hg = 10 m c.a. = 1 bar Esta presión atmosférica es la existente a nivel del mar, que es donde alcanza su máximo valor, y va siendo menor a medida que ascendemos en altitud. Si quieres tener una idea de cómo es esta variación, puedes consultar la siguiente tabla. Altitud so sobre el nivel del mar (m) Presión atmos atmosférica (m c.a.) 0 10,33 200 10,080 400 9,830 600 9,580 800 9,340 1.000 9,110 1.200 8,890 1.400 8,670 1.600 8,450 1.800 8,240 2.000 8,040 2.500 7,560 3.000 7,100 3.500 6,680 4.000 6,270 Tabla 6: Variación de la presión atmosférica con la altitud. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos No obstante, debes saber que la altitud sobre el nivel del mar no es el único parámetro que influye en la presión atmosférica. También lo hacen la temperatura y la composi composición del aire. o Presión absoluta Supón que tienes un cuerpo a nivel del mar. Si lo sumerges en un recipiente con agua, además de la atmósfera, sobre él ejercerá presión el agua que tenga por encima. En este caso, la presión que soporta el cuerpo es la atmosférica (1 atm) más la presión ejercida por el agua. P agua P = Pat = 1 atm P = Pat + P agua = 1 atm + P agua Fig.1: Ejemplo de parámetros que influyen en la presión atmosférica. Pues bien, esa presión que ejerce el agua, en este ejemplo, se denomina presión relativa, y la presión total que soporta el cuerpo sumergido se denomina presión ab absoluta. o Presión relativa Se llama presión relativa al valor de la presión por encima o por debajo de la atmosférica y presión absoluta a la presión total que soporta un cuerpo. Matemáticamente se expresa así: P = Pr + Pat Pr = P √ Pat Veamos a continuación ,otro ejemplo. 17 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Ejemplo Observa la siguiente imagen: A Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Presión relativa 18 Presión relativa Presión absoluta Presión atmosférica Presión atmosférica = 1 atm B Presión absoluta Presión cero absoluto = 0 atm Suponiendo que los puntos A y B estén a nivel del mar, es decir Pat = 1 atm: PA = 4,3 atm, por tanto, Pr = PA - Pat = 4,3 atm √ 1 atm = 3,3 atm, es decir, la presión relativa en el punto A es 3,3 atm. PB = 0,8 atm, por tanto, Pr = PB √ Pat = 0,8 atm √ 1 atm = -0,2 atm, es decir, la presión relativa en el punto B es -0,2 atm. A la vista de este ejemplo surge una nueva definición, la de vacío, vacío que es cualquier presión por debajo de la atmosférica. atmosférica La presión relativa, también llamada manométrica o medida porque es la presión que habitualmente leen los manómetros, es la que más te va a interesar como técnico, pues en la mayoría de los casos la presión que deben soportar los equipos y componentes de las instalaciones de fontanería y calefacción es una presión relativa. 4 ctividad Unidad 1 a El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Si has entendido bien los conceptos de presión relativa, presión absoluta y vacío, vas a saber responder a estas preguntas: a. ∂Cuál es el menor valor que puede alcanzar la presión absoluta? b. ∂Son posibles presiones absolutas negativas? c. Si lo son, ∂cómo se llaman? d. ∂Cuál es el menor valor que puede alcanzar la presión relativa? e. ∂Son posibles presiones relativas negativas? f. Si lo son, ∂cómo se llaman? o Presión estática La presión estática es aquella que ejerce un fluido en reposo. Esta presión se manifiesta perpendicularmente a la superficie de contacto, como puedes apreciar en las siguientes figuras. Aparece en fluidos que están tanto en reposo como en movimiento, en este caso, la presión estática sería, por ejemplo, la presión perpendicular que se ejerce sobre las paredes de la tubería que lo contiene. Presiones estáticas en un conducto Presiones estáticas en un recipiente Fig. 2: Ejemplos de presiones estáticas en recipientes y tuberías. La presión estática puede ser positiva, cuando es mayor que la presión atmosférica (sobrepresión), o negativa, cuando es menor que la presión atmosférica (depresión). 19 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas o Presión dinámica La presión dinámica es la que ejerce un fluido en movimiento. movimiento Esta presión se manifiesta en la dirección del movimiento, tal y como puedes apreciar en la siguiente imagen. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Se crea debido a la velocidad de los fluidos y, por tanto, sólo aparece en fluidos en movimiento y no cuando están en reposo. 20 Presiones estáticas (-) y dinámicas (-) en un conducto por el que circula un fluido. Fig. 3: Presiones ejercidas por un fluido en movimiento. La presión dinámica siempre es positiva. o Presión total La presión presión total es la suma de las presión estática más la presión dinámica. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: P = Pe + Pd Fluido en reposo: Pd = 0 Fluido en movimiento: P = Pe + Pd P = Pe Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Aparatos de medida Para medir la presión se utilizan unos aparatos llamados barómetros y manómetros, los cuales describimos, de forma general a continuación. Barómetros: Los barómetros son aparatos que se emplean para medir la presión atmosférica. En las siguientes figuras aparecen un barómetro analógico y un barómetro digital. Fig. 4: Barómetro analógico. Fig. 5: Barómetro digital. Manómetros: Manómetros Los manómetros son aparatos que se emplean para medir la presión de un líquido o un gas, o la diferencia entre dos presiones. En general, se trata de medir diferencias entre la presión del fluido en una conducción y la presión atmosférica. Es decir, cuando un manómetro lee en un punto una presión de 1 bar, en realidad nos está indicando que la presión en ese punto es de 1 bar por encima de la presión atmosférica. En la figura 6 aparecen diversos modelos de manómetros analógicos y en la figura 7 puedes ver un manómetro digital. Fig.7: Manómetro digital. Fig. 6: Manómetros analógicos. 21 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Los ventómetros son un tipo especial de manómetros que se emplean para medir pequeñas presiones y se emplean comúnmente para realizar mediciones en insta instalaciones de gas. El más preciso es el de columna de agua, que mide la presión en mm c.a. 22 En la figura contigua aparece un maletín con columna de agua y manómetro que permite hacer prácticamente todas las medidas que se le presentan a un instalador de gas. Fig.8: Maletín de trabajo con columna de agua. En la siguiente figura puedes observar más modelos de manómetros y ventómetros. Fig. 9: Diversos modelos de manómetros y ventómetros. 1, 2, 3: 3 manómetros de esfera para medir presiones entre 0 y 40 kg-f/cm2. 4: ventómetro para presiones entre 0 y 6 m c.a.. 5: ventómetro de perilla. 6: ventómetro de perilla con antirretorno y purgador.. 7: ventómetro de columna de agua. 8 y 9: accesorios para conexión de manómetros. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Para medir presiones mayores que la presión atmosférica se utilizan los manómetros que acabas de ver, pero para medir presiones por debajo de la atmosférica se utilizan otros que se denominan vacuómetros. vacuómetros Las siguientes figuras representan un vacuómetro analógico y vacuómetro digital respectivamente. Fig. 11: Vacuómetro digital. 5 ctividad Fig. 10: Vacuómetro analógico. a Aunque no se aprecia en la imagen, el barómetro de la figura 4 da sus medidas en hPa. Es decir, puede medir entre 950 hPa y 1.050 hPa. ∂Cuál es su rango de presiones en mm Hg, que es la unidad que propusimos como habitual en medidas de presión atmosférica? 23 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Hidrostática e hidrodinámica Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor En este apartado vamos a estudiar, de manera diferenciada, el comportamiento de los fluidos en reposo, en este caso sólo líquidos, y de los fluidos en movimiento desde las ramas que lo estudian: la hidrostática y la hidrodi hidrodinámica. 24 Hidrostática La hidrostática estudia las presiones ejercidas por los líquidos sobre los recipientes o estructuras que los contienen y los cuerpos sumergidos en ellos, sólo en aquellos casos en que el líquido está en reposo. Por esto la hidrostática no es aplicable a los gases. A partir de las leyes básicas de la hidrostática aparecen los principios de comportamiento de los líquidos en reposo. o Presión hidrostática La presión hidrostática ejercida sobre un punto sumergido en un líquido es la presión debida al peso de la columna de líquido que hay sobre ese punto. Observando la figura 12, pe es el peso específico del líquido y h la profundidad a la que está sumergido el cuerpo, suya superficie de contacto es S. pe h S Fig. 12: Presión sobre cuerpo sumergido en un líquido. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos El volumen de la columna de líquido sobre el cuerpo sumergido es: V=hxS Luego, si sabemos el peso específico del líquido, pe, podemos calcular sin problemas el peso de la columna de líquido: Peso = pe x V = pe x h x S Y la presión hidrostática es, como toda presión, fuerza por unidad de superficie: P = peso / S = (pe x h x S) / S = pe x h P = pe x h La presión que ejerce un líquido sobre el fondo del recipiente que lo contiene es igual al peso de la columna de ese líquido que tenga como base el fondo del recipiente. La presión que ejerce un líquido sobre el fondo del recipiente no depende de la forma de éste, sólo depende de la superficie de su base y de lo lleno que esté. Ejemplo Por ejemplo, el fondo de los tres recipientes de la figura soportan la misma presión, suponiendo que el líquido que contienen es el mismo. La presión sobre la pared del recipiente es perpendicular a la misma, y depende de la profundidad del punto en que se estudie y del peso específico del líquido que la ejerce. 25 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas o Principio de Pascal El principio de Pascal, que debe su nombre a un físico francés, dice que la presión apliaplipun ntos cada en un punto de un líquido, se transmite con la misma intensidad a todos los pu del mismo. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Aunque te parezca una ley teórica, su aplicación práctica es importantísima y facilita trabajos que serían muy duros sin ella. Una de estas aplicaciones es la prensa hidráulica, pero también es la base del funcionamiento de los sistemas de freno o los gatos hidráulicos. 26 La prensa hidráulica consta de dos émbolos de diferente tamaño que están en contacto con un líquido, tal y como indica la siguiente figura: Fig. 13: Prensa hidráulica. Al ejercer la fuerza F1 sobre el émbolo pequeño, la presión P1 se transmite por el líquido y hace ascender al émbolo grande. Si sobre éste se encuentra situado un objeto, cuya subida es impedida por un tope, el objeto quedará prensado contra él. Las presiones en cada uno de los émbolos serán: P1 = F1 / S1 P2 = F2 / S2 Como el principio de Pascal nos dice que P1 = P2, concluimos que: F1 / S1 = F2 / S2 → F2 = F1 x (S2 / S1) F2 = F1 x (S2 / S1) Es decir, este mecanismo multiplica la fuerza ejercida por la relación entre las dos superficies: S2 / S1 Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Ejemplo Supón que ejercemos una fuerza F1 de 500 N sobre el émbolo pequeño, cuya superficie S1 es de 10 cm2. ∂Qué fuerza se transmitirá al émbolo grande cuya superficie S2 es de 500 cm2? Es sencillo, basta con sustituir los datos en la fórmula anterior: F2 = F1 x (S2 / S1) → F2 = 500 N x (500 cm2 / 10 cm2) = 500 N x 50 = 25.000 N Por tanto, hemos multiplicado por 50 la fuerza que aplicamos mediante un pedal, una palanca o cualquier otro sistema. Este es el esquema de una prensa hidráulica real: Fig. 14: Prensa hidráulica real. En esta otra figura puedes ver un elevador hidráulico, que es otra aplicación industrial muy útil del principio de Pascal. Fig. 15: Elevador hidráulico. 27 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Hidrodinámica La hidrodinámica estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento. Los conceptos que estudiaremos desde esta rama son los siguientes: o Ecuación de continuidad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Para poder formular esta ecuación, necesitamos que el fluido dentro de la tubería cumpla las siguientes condiciones: 28 1. Que su caudal sea constante. 2. Que viaje en régimen estacionario. Esto quiere decir que la circulación del fluido sea homogénea en toda la sección de la tubería. 3. Que no existan pérdidas de masa a través de las paredes de la tubería, es decir, que no haya fugas. Y además, necesitamos recordar la expresión del caudal: Q = V / t, en la que: • Q = caudal volumétrico (m3 / s) • V = volumen (m3) • t = tiempo (s) El volumen es la superficie por la longitud, es decir: V=SxL Por tanto: Q = (S x L) / t Y la velocidad es el espacio dividido entre el tiempo: v=L/t Sustituyendo la velocidad en la última ecuación del caudal: Q=Sxv El caudal que atraviesa la sección de una tubería también puede expresarse como el valor de dicha sección multiplicado por la velocidad del fluido. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Vamos a representar un tramo de tubería por la que circula un fluido con caudal constante, en régimen estacionario y sin fugas. Este tramo, como ves en la imagen, presenta un estrechamiento. S1, v1 Q1 = S1 x v1 S2, v2 Q2 = S2 x v2 Fig. 16: Tramo de tubería. Como hemos supuesto que el caudal es constante en toda la tubería, podemos igualarlos en las secciones S1 y S2: Q 1 = Q 2 ⇒ S1 x v1 = S2 x v2 S1 x v1 = S2 x v2 Se puede enunciar de forma aproximada la ecuación de la continuidad diciendo que, mientras el caudal de fluido que circula por una tubería sea constante, al producirse un estrechamiento de la tubería (donde la sección de la misma disminuye), se produce un aumento de la velocidad, y viceversa. 6 ctividad En el ejemplo anterior, como la sección S1 es mayor que S2, la velocidad v1 será menor que la velocidad v2. a ∂Puedes explicar por qué cuando quieres regar con una manguera, a una distancia que no alcanza el chorro de agua, pones el dedo en la salida de la manguera? 29 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Quizá estés pensando que esta ecuación no sirve de mucho, sin embargo en la práctica tiene una gran importancia, ya que gracias a ella se obtienen las velocidades de circulación de fluidos por tuberías, cuando estas velocidades deben estar comprendidas dentro de unos márgenes determinados. Es muy importante que tengas claro que la velocidad del fluido afecta poderosamente a sus condiciones de circulación por la tubería. Velocidades elevadas producen ruidos molestos en las instalaciones y pérdidas de Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor presión elevadas. Explicaremos más adelante qué son las pérdidas de presión. 30 Velocidades muy bajas pueden ocasionar la formación de sedimentos en el interior de la tubería. o Ecuación de Bernouilli Intentaremos simplificar el desarrollo matemático y explicar el fundamento físico de esta ecuación. Vamos a considerar que no hay rozamiento y que se cumplen las tres condiciones de la ecuación de continuidad. La energía que tiene un fluido es la suma de tres factores: Su energía cinética, cinética es decir, aquélla que se debe al movimiento del fluido. Si estuviera en reposo, la energía cinética sería cero. Su valor es: Ec = 1/2 x m x v2 Su energía potencial, potencial debida a la altura, h, a la cual se halla el fluido. Su valor es: Ep = m x g x h Su energía de presión, presión que es el trabajo necesario para comprimir el fluido, y cuya expresión es la siguiente: EP = P x V así que su energía total es: E = Ec + Ep + EP = 1/2 x m x v2 + m x g x h + P x V Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Pues bien, sabiendo esto, podemos enunciar la ecuación de Bernouilli, Bernouilli que dice que la energía total de un fluido que circula por un sistema cerrado y en régimen estaciona estacionario permanece constante, es decir, no varía, aunque sí se transforma de una forma de energía a otra. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: E = 1/2 x m x v2 + m x g x h + P x V = cte Si dividimos toda la ecuación por la masa obtenemos una ecuación más sencilla: 1/2 x v2 + g x h + P / ρ = cte Si aplicamos esta ecuación a dos puntos situados en secciones distintas de un conducto, por ejemplo A1 y A2 (figura de la derecha), la ecuación de Bernouilli queda de la siguiente manera: 1/2 x v12 + g x h1 + P1 / ρ = 1/2 x v22 + g x h2 + P2 / ρ Fig. 17: Conducto. Si decíamos que la ecuación de continuidad tenía aplicaciones prácticas muy importantes, la ecuación de Bernouilli es más relevante aún ya que se trata, por ejemplo, de la ley física que permite volar a los aviones. 31 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas o Efecto Venturi Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor El efecto Venturi se basa en la ecuación de continuidad y en la ecuación de Bernouilli. Imagina que la tubería de la figura anterior es horizontal, caso que representa la siguiente figura: 32 Fig. 18: Vista horizontal de una tubería. En la ecuación: 1/2 x v12 + g x h1 + P1 / ρ = 1/2 x v22 + g x h2 + P2 / ρ h1 y h2 son idénticas, luego podemos simplificar la expresión, que queda de la siguiente manera: 1/2 x v12 + P1 / ρ = 1/2 x v22 + P2 / ρ Vamos a analizar lo que significa esto. A1 > A2 ⇒ (según la ecuación de continuidad), v1 < v2, es decir, en el estrechamiento, aumenta la velocidad del fluido. v1 < v2 ⇒ (según la ecuación de Bernouilli), P1 > P2, es decir, en el estrechamiento disminuye la presión del fluido, creándose por tanto una depresión, como se observa en la figura anterior mediante los tubos de presión situados en los puntos 1 y 2. En ellos, el fluido alcanza menor altura en el punto 2, demostrando que la presión en él es menor. Este fenómeno se conoce como efecto Venturi Venturi; uri cuando un fluido circula por una tube tubería con caudal constante, en la que se produce un estrechamiento, en este punto se produciproducirá una disminución de la presión (además del ya esperado aumento de la velocidad). 7 ctividad Unidad 1 a El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Responde a la siguiente cuestión: ∂Por qué las pajitas con las que tomamos las bebidas son tan estrechas? Al igual que las anteriores leyes, el efecto Venturi tiene múltiples aplicaciones: el carburador o el quemador atmosférico de gas, entre ellas. Expliquemos esta última apoyándonos en la siguiente figura. Fig. 18: Quemador de gas. Como se aprecia, el tubo que conduce el gas hacia el quemador se estrecha, obligando al gas a salir por un orificio de pequeño diámetro. En él, la velocidad es elevada, pero la presión disminuye, por lo que arrastra aire atmosférico que entra por los orificios laterales, mezclándose con el gas combustible. o Pérdidas de carga Cuando un fluido circula por una conducción se produce rozamiento entre el fluido y las paredes del conducto. Esto ocasiona que la energía que llevaba el fluido en un principio, vaya disminuyendo, lo que se traduce en que también disminuya la presión. Es decir, la presión inicial que llevaba el fluido se va haciendo menor a medida que avanza. Esta pérdida de presión se denomina pérdida de carga o caída de presión. presión. 33 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Las pérdidas de carga se pueden dividir en dos tipos diferentes: Pérdidas de carga teniendo en cuenta solamente los tramos rectos de la tubería, sin contabilizar los accesorios. Se llaman pérdidas lineales. lineales. En estos tramos, la caída de presión depende de la velocidad del fluido, de las características físicas del tubo (su diámetro, la rugosidad de la superficie interior) y de las propiedades físicas del fluido que circula por él (viscosidad y densidad). Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Pérdidas de carga que corresponden exclusivamente a los accidentes puntuales, 34 como estrechamientos o ensanchamientos, codos bruscos, tes, llaves, válvulas y otros. Se llaman pérdidas locali localizadas. zadas Por tanto, la pérdida total de presión o pérdida de carga, dentro de la tubería es la suma de las dos anteriores: Pérdidas de carga = pérdidas lineales + pérdidas localizadas. Para el cálculo de estas pérdidas existen numerosos métodos, desde los puramente matemáticos, más precisos pero lentos, hasta los que emplean ábacos y gráficos, los cuales no son tan exactos, pero si mucho más rápidos y, por tanto, más prácticos. En la siguiente unidad vamos a realizar estos cálculos empleando métodos diversos. En instalaciones de agua, se recomienda que la pérdida de presión en tuberías esté en torno a los 10 y 30 mm c.a. por m lineal de tubería. En instalaciones pequeñas o domésticas, las pérdidas de carga no suelen ser conflictivas, pero en instalaciones grandes hay que tenerlas muy en cuenta para diseñar la instalación y decidir aspectos tan importantes como diámetros de tuberías, potencia de las bombas a instalar, º Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Redes de distribución En las unidades siguientes vamos a estudiar las instalaciones de agua y de gas a partir de un punto que se llama acometida. Pero, ∂qué hay detrás de la acometida? ∂Cómo llega el agua hasta ella? Pues a través de las redes de disdistribución, tribución que definimos a continuación. Se llama red de distribución urbana al conjunto de tuberías y elementos que discurren por el interior de los núcleos urbanos, de las que se derivan las tomas de agua para los usuarios. Podemos dividirlas en cuatro partes: Depósitos de almacenamiento: almacenamiento pueden ser de reserva, de compensación o de regulación. Conducciones principales o arterias: arterias pueden definirse como el esqueleto de la red de distribución. Los sistemas más habituales de distribución son los siguientes: • Red de distribución abierta o ramificada. • Red de distribución cerrada o mayada. • Red de distribución mixta. Puntos de toma o acometidas: son las derivaciones finales para dar suministro de agua a los edificios. Contador general: es el encargado de medir los consumos totales producidos en los edificios. Su colocación es aconsejable, independientemente que se instalen contadores divisionarios o no. La realización de la red de distribución es responsabilidad de la compañía concesionaria del suministro de aguas de cada población, o bien, de empresas instaladoras bajo su control directo. En la siguiente unidad estudiaremos con detalle las acometidas y los contadores. De momento, vamos a conocer de forma general los depósitos de almacenamiento y los distintos tipos de redes de distribución. 35 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Depósitos de almacenamiento Su cometido es el de disponer de unas reservas de agua en previsión de un momento de necesidad, actuando además como auténticas torres de presión, ya que a un mismo depósito pueden acometer diferentes conducciones de abastecimiento, lo cual hace que sus distintas presiones, se regularicen en una sola. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Se aconseja que su capacidad sea suficiente para abastecer al núcleo de población durante 24 horas y que estén protegidos de tal manera que no pueda penetrar la contaminación procedente del exterior. 36 Podemos distinguir tres tipos de depósito: Depósitos de reserva. Depósitos de compensación. Depósitos de regulación de presión. Tipos de redes de distribución Según se realice la disposición de las tuberías que forman la red, hay tres sistemas de distribución diferentes: o Red de distribución abierta o ramificada Es el sistema de instalación más sencillo de red de distribución. Consiste en una arteria principal abierta, de la cual se derivan las arterias secundarias o distribuidores, y de éstas a su vez, los ramales de acometida, como se observa en la siguiente figura: Fig. 19: Red de distribución abierta o ramificada. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Su utilización es aconsejable en núcleos de población de menos de 1.000 habitantes y con una configuración urbana lineal. La arteria principal tendrá una longitud máxima de 1.000 m y siempre seguirá el eje del núcleo. Las arterias secundarias o distribuidoras tendrán una longitud máxima de 300 m. Las ventajas e inconvenientes de su utilización las podíamos resumir en los siguientes puntos: RED DE DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCI N ABIERTA O RAMIFI RAMIFICADA Ventajas Inconvenientes Sencillez de cálculo y de instalación. La continuidad del servicio no es segura, al poder interrumpirse por una avería en el inicio de la arteria principal. Economía de instalación y mantenimiento. Posibilidad de ramales muertos, que obligan a disponer de puntas de descarga. Longitud mínima de red, al ir directamente a los puntos de consumo. Circulación del agua en un solo sentido. Mal reparto de las presiones. Tabla 7: Ventajas/Inconvenientes de la red de distribución abierta. o Red de distribución cerrada o mayada Como puedes apreciar en la imagen, las arterias formarán una o más mallas y su trazado seguirá las vías urbanas de primer orden, coincidentes con las zonas de mayor consumo, transcurriendo preferiblemente por las zonas viales y por espacios públicos no edificables. Fig. 20: Red de distribución cerrada o mayada. 37 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Es el sistema más empleado para núcleos de población grandes y para extensiones de tipo radial. La separación máxima entre dos lados opuestos de una malla, será de 900 m y la mínima de 250 m, teniendo en cuenta que la superficie máxima de una malla será de 30 Ha y la mínima de 9 Ha. Cada malla abastecerá a un máximo de 1.500 viviendas y a un mínimo de 500. Como ventajas e inconvenientes de este sistema, podemos destacar las siguientes: Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor RED DE DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCI N ABIERTA O RAMIFI RAMIFICADA 38 Ventajas Inconvenientes Mayor seguridad en el servicio (al poder atacar un mismo punto al menos en dos sentidos). Mayor gasto de instalación y mantenimiento. Mejor reparto de presiones. Circulación del agua en doble sentido. Imposibilidad de estancamiento del agua. Mayor flexibilidad de la red. Dimensionado más complejo. Mayor longitud de conducciones. Tabla 8: Ventajas/Inconvenientes de la red de distribución abierta. o Red de distribución mixta Para paliar en lo posible, los inconvenientes de los sistemas anteriores, se pueden realizar las llamadas redes mixtas (figura 21), consistentes en que una parte de la red está mayada y otra abierta. La red mixta es la más generalizada. Sus arterias principales están mayadas y se van dejando ramales abiertos que van dando servicio a las zonas de expansión urbana, hasta que el ramal abierto adquiere una determinada magnitud o importancia en cuyo caso se cierra, y a su vez la maya se va expansionando hasta alcanzar a las arterias secundarias. Fig. 21: Red de distribución mixta. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Gases combustibles La etiqueta que lleva esta bombona de camping-gas la habrás visto en numerosos productos de la vida diaria como lacas, plásticos, envases de productos de limpiezaºinformándote que dicho producto es inflamable. Cuando un gas es capaz de reaccionar con el oxígeno del aire de manera rápida y con desprendimiento de energía térmica, en un proceso denominado combustión, se denomina gas combustible. Los gases combustibles tienen varias ventajas sobre los combustibles sólidos y líquidos. Son fácilmente llevados al quemador por simples conductos, pues casi siempre se almacenan a presiones mayores que la atmosférica. Suelen estar libres de ceniza y otros elementos extraños, por lo que se queman completamente. El control de la llama se hace fácilmente, pues mezclan muy bien con el aire. Es posible obtener combustiones completas con porcentajes de exceso de aire muy bajos. Casi siempre son más baratos que otros combustibles. Los gases combustibles se diferencian entre sí, fundamentalmente, por su poder calorífico, su densidad y las presiones de servicio, como verás más adelante, cuando estudiemos su clasificación. De momento vamos a repasar las propiedades específicas de esta familia de fluidos. 39 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Poder calorífico: Se puede definir como la cantidad de calor producido por la combustión completa de una unidad de volumen o de masa de gas, a una presión constante e igual a 1.013,25 mbar. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Los combustibles gaseosos son los que poseen mayor poder calorífico en comparación con los combustibles líquidos y sólidos. 40 Es muy importante distinguir entre el Poder Calorífico Superior (PCS) y el Poder Calorífico Inferior (PCI). Mientras que el primero incluye el calor recuperado al condensar el vapor de agua, el segundo no lo hace, éste es más real. Densidad de gas: La densidad de gas es la razón de la densidad real del gas entre la densidad del aire seco a temperaturas y presión estándar. ρ ρ g = ρ aire secoi st No se debe confundir con la densidad específica, que es la densidad real del gas con respecto a la del agua. ρ ρe = ρ a gua La densidad de gas de los gases naturales varía normalmente entre 0,58 y 0,64. Se emplea para determinar gastos y caídas de presión en tuberías, orificios, quemadores y reguladores. ‹ndice de Wobbe (W): El índice o número de Wobbe es un indicador útil de la entrada de calor. El índice de Wobbe es igual al poder calorífico superior del combustible entre la raíz cuadrada de la densidad de gas. W= PCS ρg Si es posible mezclar aire con un gas sustituto de modo que se obtenga el mismo índice de Wobbe que con el gas previamente usado, entonces el quemador existente permitirá la misma entrada bruta de calor. Con frecuencia se alude a este hecho cuando se emplean mezclas propano √ aire durante períodos de escasez de gas natural. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Temperatura de la llama: Esta temperatura se debe conocer para saber la velocidad de la transferencia de calor de la llama. La temperatura de la llama depende de: • La aerodinámica de mezclado del quemador. • La razón combustible / aire. • La pérdida de calor hacia los alrededores. Temperatura mínima de ignición: La temperatura mínima de ignición es importante para: • La seguridad en el manejo. • La facilidad de encendido. • La facilidad de la llamada ≈ignición auto √ sostenida continua∆ (es decir, sin piloto o encendedor), lo cual es preferible. Estabilidad de la llama: La estabilidad de la llama está influida por: • La configuración de los quemadores. • La configuración de las cámaras de combustión. • Las propiedades de los combustibles. Límites de inflamabilidad: Se refiere al intervalo de proporciones aire / combustible que arderán en combustión auto√sostenida continua. Existen dos límites de inflamabilidad: máximo y mínimo, y se expresan como porcentaje de gas de una mezcla de gas / aire. Es importante conocer estos límites de inflamabilidad del gas para establecer prácticas seguras al manejar combustibles gaseosos. Por ejemplo, al purgar equipos utilizados para servicio con gas, al controlar las atmósferas de fábricas y minas o al manejar gases licuados. 41 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Humedad: Los gases combustibles, generalmente, contienen un porcentaje de humedad. Teniendo en cuenta que este contenido suele ser bajo, se puede despreciar sin cometer errores considerables. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Odorización: 42 Como el gas natural que alimenta los gasoductos carece prácticamente de olor, en la mayor parte de la normativa se exige añadirle un odorizante para poder detectar su presencia con facilidad, en caso de accidentes y fugas. Esta odorización se logra añadiéndole al gas, antes de que llegue al consumidor, rastros de algunos compuestos orgánicos de azufre. Caudal de consumo: Se puede expresar como el cociente entre la potencia nominal consumida y el poder calorífico del combustible. C= Pn PCS ó PCI siendo: η= Pu Pn η = rendimiento Pu = potencia útil Pn = potencia nominal Condiciones estándar y normales: Cuando hablamos del caudal, recordarás que dijimos que podíamos expresarlo en masa por unidad de tiempo (caudal másico) o en volumen por unidad de tiempo (caudal volumétrico). El caudal másico de un gas es independiente de las condiciones de presión y temperatura, pero no así el volumétrico, pues el volumen de los gases varía con la presión y la temperatura. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Si decimos que el caudal del gas es de 10 m3/h y no indicamos la presión y la temperatura, estamos siendo muy imprecisos (es como no decir nada). Este problema se resuelve indicando el caudal volumétrico referido a unas condiciones determinadas, que son: • Condiciones normales: se expresan con el símbolo (n) y se refieren a 0 oC y 1 atm de presión. • Condiciones estándar: se expresan con el símbolo (st) y se refieren a 15 oC y 1 atm de presión. Para pasar de caudal volumétrico en condiciones normales a caudal volumétrico en condiciones estándar: Q ( st ) = 1,05 × Q (n) 43 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Resumen Propiedades de los Densidad: ρ = m / V fluidos Peso específico: pe = p / V espec Volumen específico: Ve = V / m Fluidez: propiedad por la cual las moléculas de una Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor sustancia gozan de gran movilidad. 44 Viscosidad: resistencia que oponen las moléculas de una sustancia al movimiento. Compresibilidad: propiedad de una sustancia de re- ducir considerablemente su volumen cuando aumenta la presión. Caudal: Caudal • Caudal volumétrico: Q = V / t • Caudal másico: Qm = m / t La presión Matemáticamente se expresa como P = F / S En el S.I. se mide en Pa, pero también se emplean: 1 bar = 1 atm = 1 kg / cm2 = 10 m c.a. = 105 Pa Se mide con barómetros, manómetros, ventómetros, vacuómetros. Tipos de presión: Presión atmosférica: atmosférica es la que ejerce la atmósfera sobre la superficie terrestre. Vale 1 atm a nivel del mar. Presión relativa: relativa es la presión por encima o por debajo de la atmosférica y la que leen los manómetros. Presión absoluta: absoluta es la presión relativa más la presión atmosférica. Es la presión total a la que está sometida un cuerpo. Unidad 1 Hidrostática e Hidrodinámica El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Presión hidrostática: es la que ejerce un líquido en reposo sobre un cuerpo sumergido en él. P = pe x h Principio de Pascal: Pascal: la presión aplicada en un punto de un líquido se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del mismo. Su principal aplicación es la prensa hidráulica. Ecuación de continuidad: continuidad: cuando por una tubería circula un fluido con caudal constante, la velocidad del fluido aumenta en los estrechamientos y disminuye en los ensanchamientos. Ecuación de Bernouilli: Bernouilli: la energía total de un fluido en un sistema cerrado y en régimen estacionario no varía, sólo se transforma de una forma a otra. Efecto Venturi: Venturi: cuando un fluido circula por una tu- bería a caudal constante y atraviesa un estrechamiento disminuye su presión. Pérdidas de carga: carga: son las caídas de presión que sufre un fluido al circular por una conducción. Pueden ser lineales, en tramos rectos de tuberías, o localizadas, en accesorios, cambios de sección u otros accidentes del trazado. Redes de distribución Conjunto de tuberías y elementos que distribuyen el agua y el gas hasta las tomas para los usuarios. Pueden ser abiertas, cerradas o mixtas. Gases combustibles Son aquéllos capaces de reaccionar con el O2 del aire de forma rápida y con desprendimiento de calor. 45 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Autoevaluación 1. ¿Por qué ascienden los globos de aire caliente?. 2. Un surtidor de gasolina escupe el líquido con un caudal de 12 l/min ∂Cuál es su caudal másico? 3. En una conducción de una instalación de gas a nivel del mar, se ha conectado un Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor instrumento de medida cuya lectura es 425 mm c.a. 46 a. ∂Qué aparato crees que debería ser? b. Expresa en pascales la presión atmosférica, la presión relativa y la presión absoluta del gas en la conducción. 4. Los tres cuencos de la figura contienen Hg y están situados al nivel del mar. ∂Cuál es la presión del gas contenido en cada probeta invertida? 5. El tapón de una bañera tiene 5 cm de diámetro. La altura del agua que contiene la bañera es 40 cm. ∂Qué fuerza hay que ejercer para levantar el tapón al vaciar la bañera? 6. Los émbolos de una prensa hidráulica tienen sección circular, siendo sus diámetros 8 y 40 cm respectivamente. ∂Cuál es la fuerza que se produce en el émbolo mayor, cuando al pequeño se le aplica una fuerza de 50 N? Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos 7. Por una tubería sin inclinación circula aceite de densidad 2.306 kg/m3 (constante a las condiciones en que se encuentra), con un caudal constante de 50 l/min. En un principio, la tubería se diseñó ancha, con una sección de 0,25 m2, pero por necesidades en la conexión del depósito al que alimenta, tuvo que reducirse a 36 cm2. a. ∂A qué velocidad desemboca el aceite en el depósito? b. ∂Cuál es la variación de presión que experimenta el fluido entre la sección ancha y la estrecha? 8. Decide si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: V F a. La longitud de un red de distribución urbana de tipo abierto es mínima. b. Una red de distribución cerrada permite un mejor reparto de presiones. c. Las redes de distribución cerradas suponen un mayor gasto de instalación y mantenimiento. d. Las redes de distribución abiertas aseguran la continuidad del servicio. e. Los gases combustibles queman muy mal porque tienen muchas cenizas y elementos extraños. f. El poder calorífico es la cantidad de calor producida en la combustión completa de la unidad de masa o volumen de un gas a la presión atmosférica a nivel del mar y constante. g. Los gases combustibles son los combustibles más caros. h. La densidad de gas es: ρ e = i. El índice de Wobbe es un indicador del tiempo que tarda en quemar un gas. j. Se llaman condiciones estándar a 1 atm de presión y 20 oC de temperatura. ρ ρ agua 47 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Respuestas Actividades 1. Dado que cuando aumenta la presión, el volumen de los líquidos disminuye muy poco y el de los gases disminuye muchísimo, completamos la tabla como sigue: VARIACI‡N CON EL AUMENTO AUMENTO DE PRESI‡N Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Densidad (ρ (ρ) 48 Peso especí específico (pe) Volumen específi específico (Ve) Líqui Líquidos Aumenta muy poco Aumenta muy poco Disminuye muy poco Gases Aumenta muchísimo Aumenta muchísimo Disminuye muchísimo 2. ρagua = 1 kg/l x 1l/dm3 x 1.000 dm3/m3 = 1.000 kg/m3 pe = ρagua x g = 1.000 kg/m3 x 9,81 m/s2 = 9.810 N/m3 Ve = 1/ρagua = 0,001 m3/kg 3. Para demostrar que: 1hPa = 1 mbar = 10 mm c.a., Vamos a expresar cada término de la igualdad en pascales. Así: 1 hPa x 100 Pa/1hPa = 100 Pa 1mbar x 1 bar/1.000 mbar x 100.000 Pa/1 bar = 100 Pa 10 mm c.a. x 1m c.a./1.000 mm c.a. x 100.000 Pa/10 m c.a. = 100 Pa 4. Las respuestas correctas, por orden, son: a. b. c. d. e. f. 0 bar. No. No son posibles -1 bar. Sí. Vacío. Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos 5. Como sabemos que: 105 Pa = 100.000 Pa = 760 mm Hg, por factores de conversión pasamos de hPa a mm Hg: 950 hPa x 100 Pa/1.hPa x 760 mm Hg/100.000 Pa = 722 mm Hg 1.050 hPa x 100 Pa/1.hPa x 760 mm Hg/100.000 Pa = 798 mm Hg Por tanto, el rango del barómetro es de 722 mm Hg a 798 mm Hg 6. El razonamiento es muy simple. Cuando pones el dedo a la salida de la manguera, lo que haces es disminuir su sección. Entonces, por la ecuación de continuidad, la velocidad del agua aumenta y así el chorro llega más lejos. 7. Las pajitas se hacen tan estrechas porque al ser pequeña su sección, la velocidad del aire cuando se aspira, será grande y, por tanto, disminuirá su presión. Esta baja presión arrastra el líquido, que ascenderá por la pajita. 49 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Respuestas Autoevaluación 1. Los globos de aire caliente ascienden porque al calentar el aire y aumentar su temperatura, también aumenta su volumen. Como ρ = m / V disminuye la densidad del aire caliente, al contener aire menos denso que el aire frío que le rodea, los globos suben. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor 2. Expresamos el caudal volumétrico en unidades del S.I.: 50 Q = 12 l/min x 1 min/60 s x 1 dm3/1l x 1m3/1.000 dm3 = 0,0002 m3/s = 2 x 10-4 m3/s Qm = Q x ρ = 2 x 10-4 m3/s x 680 kg/m3 = 0,136 kg/s, es decir, el caudal másico es Qm = 0,136 kg/s 3. Las respuestas a las cuestiones planteadas son las siguientes: a. Debería ser un ventómetro, que es el aparato más usado en instalaciones de gas para medir pequeñas presiones, como es nuestro caso. El más preciso es el ventómetro de columna de agua. b. Pat = 1 atm = 105 Pa, pues la instalación está a nivel del mar Pr = 425 mmc.a. x 1 mc.a./1.000 mmc.a. x 105 Pa/10 mc.a. = 4.250 Pa, pues la presión que nos da el instrumento de medida es la presión relativa o manométrica. P = 105 Pa + 4250 Pa = 104.250 Pa, Pa pues la presión absoluta es la suma de la presión atmosférica más la presión relativa. 4. El Hg contenido en los cuencos está expuesto a la atmósfera, y por tanto sometido a la presión atmosférica. Como estamos a nivel del mar, la superficie libre del Hg soporta una presión de760 mm Hg. La presión del gas contenido en cada probeta invertida es la siguiente: 1≤ 2≤ 3≤ Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos En la primera probeta el gas está a la presión atmosférica, es decir a 760 mm Hg, pues el Hg contenido en la probeta mantiene el mismo nivel que el que está sometido a la presión atmosférica. En la segunda probeta, el Hg asciende 6 cm = 60 mm con respecto al Hg expuesto a la atmósfera, luego el gas dentro de la probeta está a una presión de: 760 mm Hg √ 60 mm Hg = 700 mm Hg En la tercera probeta, el nivel del Hg es 40 mm más bajo que el que está sometido a la presión atmosférica, luego el gas dentro de la probeta está a una presión de 760 mm Hg + 40 mm Hg = 800 mm Hg 5. Sabemos que la presión es fuerza por unidad de superficie, luego: P=F/S⇒F=PxS pe h S Debemos calcular la sección del tapón y la presión que soporta. La sección del tapón es: S = π x r2 Si el diámetro son 5 cm, el radio r = 2,5 cm = 0,025 m, luego: S = π x 0,0252 m2 = 0,000625 m2 = 6,25 x 10-4 m2 Por otra parte, la presión hidrostática que soporta el tapón es: P = pe agua x h, donde: pe agua = ρagua x g = 1.000 kg/m3 x 10 m/s2 = 104 N/m3 h = 40 cm = 0,4 m Luego: P = 0,4 m x 104 N/m3 = 4.000 Pa Por tanto, la fuerza que hay que hacer para destaponar la bañera es: F = P x S = 4.000 Pa x 0,000625 m2 = 2,5 N 51 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas 6. Para calcular la fuerza obtenida en el émbolo grande, vamos a aplicar la formulación matemática del Principio de Pascal: Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor F2 = S2/S1 x F1 52 Sabemos que: φ1 = 8 cm ⇒ r1 = 4 cm φ2 = 40 cm ⇒ r2 = 20 cm En primer lugar, calculamos las secciones: S1 = π x r12 = π x 42 cm2 = π x 16 cm2 S2 = π x r22 = π x 202 cm2 = π x 400 cm2 Y sustituyendo, obtenemos la fuerza en el émbolo grande: F2 = 400/16 x 50 N = 1.250 N 7. Las respuestas a las cuestiones planteadas son las siguientes: a. Para calcular la velocidad del aceite cuando desemboca en el depósito, aplicamos la ecuación de continuidad: Q = S x v, en nuestro caso: Q = S2 x v2 Pues entonces: v2 = Q / S2 Expresamos Q en unidades del S.I.: Q = 50 l/min = 8,3 x 10-4 m3/s Como S2 = 36 cm2 = 36 x 10-4 m2 obtenemos: v2 = 0,23 m/s Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos b. La variación de presión la vamos a calcular aplicando la ecuación de Bernouilli: E = 1/2 x m x v2 + m x g x h + P x V = cte O, lo que es lo mismo: 1/2 x m x v12 + m x g x h1 + P1 x V = 1/2 x m x v22 + m x g x h2 + P2 x V Como la tubería es horizontal: h1 = h2, luego: 1/2 x m x v12 + P1 x V = 1/2 x m x v22 + P2 x V, y dividiendo entre la masa m obtenemos una expresión más sencilla: 1/2 x v12 + P1/ρ = 1/2 x v22 + P2/ρ, que despejando nuestra incógnita quedaría: P1 √ P2 = ρ/2 (v22 √ v12) El único dato que tenemos que calcular es v1, y lo hacemos igual que calculamos v2: Q = S x v, en nuestro caso: Q = S1 x v1, y entonces: v1 = Q / S1 = 33,2 x 10-4 m/s = 0,00332 m/s Y, por fin, sustituyendo: P1 √ P2 = ρ/2 (v22 √ v12) = 2.306/2 kg/m3 (0,232 √ 0,003322)m2/s2 = 60,98 Pa. La diferencia de presiones pedida es: P1 √ P2 = 60,98 Pa Si observas un poquito el resultado, te darás cuenta de que, efectivamente, en la sección ancha S1, la velocidad es baja (v1 = 0,00332 m/s), pero la presión P1 es 60,98 Pa más elevada que en la sección estrecha S2, donde, eso sí, la velocidad es alta (v2 = 0,23 m/s) 8. Las respuestas correctas son las siguientes: a. b. c. d. e. f g. h. Verdadera. No existen grandes diferencias entre las autopistas y las autovías. Verdadera. Verdadera. Verdadera. Falsa. La continuidad del servicio no es segura, pues puede interrumpirse por una avería en el inicio de la arteria principal. Falsa. Suelen estar libres de cenizas y otros elementos extraños por lo que se queman completamente. Verdadera. Falsa. alsa Son más baratos que los combustibles sólidos y líquidos. Falsa. La fórmula dada corresponde a la densidad específica. La densidad de gas es: ρ ρ g = ρ aire secoi st i. Falsa. El índice de Wobbe es un indicador de la entrada de calor. j. Falsa. Las condiciones estándar son 1 atm y 15 oC 53 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Notas 54 Módulo: Instalaciones de Agua y Gas Unidad 1 El Agua y los Gases Combustibles como Fluidos Notas 55 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
