gas en media y baja presion by Manuel Gonzalez

CONTROL Y NORMATIVAS DE GAS EN MEDIA Y BAJA PRESIÓN INTRODUCCIÓN El conjunto de elementos que componen a una instalación de gas domiciliaria, permite conducir al combustible desde la red de distribución o cilindros hasta los aparatos de consumo (cocinas, estufas y calefones). Esta conducción deberá ser lo suficientemente segura para resguardar la vida de los moradores y de sus bienes materiales. Sabemos que el gas es un fluido peligroso y que no puede ser manipulado por personas inexpertas, razón por la cual, en las instalaciones interiores de gas, deberán usarse elementos y dispositivos que posean cualidades y características de certificación. Por otra parte, las tuberías, las llaves de corte, los reguladores de presión, las Tee de pruebas, los sifones, los arranques, las ventilaciones de recintos, la orientación de los artefactos, las descarga de gases, la distribución en subterráneos y, en general, los restantes elementos que conforman una instalación, no pueden ser dispuestos de cualquier forma, sino que deben ser orientados, unidos y acoplados debidamente entre sí, para satisfacer las pruebas y revisiones exigidas por la Normativa. Por lo tanto, los temas que trataremos en el desarrollo de este curso, son fundamentales para la formación de personas que se dedicarán posteriormente a la reparación, mantención e inspección de artefactos a gas de uso domiciliario, principalmente en el manejo instrumental y en la destreza y seguridad que ellos logren para desarrollar el criterio de la funcionalidad y confiabilidad de una instalación.

Hernán Soto Nilo Alejandro Riquelm S.

CONTROL Y NORMATIVAS EN INSTALACIONES DE GAS INTRODUCCIÓN Todas las personas pasamos, en promedio, 8 horas diarias en el interior de una vivienda, sin embargo, la preocupación por la calidad de vida en interiores de habitaciones comenzó aproximadamente en 1995, motivada por 2 aspectos: a.- Por el desbordante crecimiento que comenzó a tener la vivienda en altura. b.- Por el interés de traer Gas Natural desde Argentina a Chile El Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción, el 25 de abril de 1996 publica en el Diario Oficial el Decreto # 222. Reglamento que regula todo lo relacionado con las instalaciones de gas en interiores de viviendas. En este reglamento se destacan 3 aspectos importantes : 1.- Los requisitos mínimos de seguridad que debería cumplir una instalación de gas para proteger a las personas y sus bienes. 2.- Las disposiciones generales, que deberían ser aplicadas en todo el Territorio Nacional, para regular : -

El proyecto ( o el plano) de la instalación de gas combustible para uso domiciliario.

La construcción y montaje del mismo.

La mantención y fiscalización que debería realizarse en el tiempo.

La puesta en servicio.

3.- Se fija un glosario de 73 definiciones, con su respectivo significado y que se encuentran relacionados con la materia de la instalación, mantención y servicio de combustible.

Para comprender mejor esta afirmación veamos el siguiente ejemplo: Supongamos que se mide un calefon en un departamento y se encuentran los siguientes valores ambientales (en los alrededores de la fuente y manteniendo todas sus puertas cerradas a otra dependencia vecinal)

Tiempo / min. = 0 CO / ppm = 10

5 10 15 25

15 48

20 36

25 28

30 22

Por lo tanto, el CO promedio es de: 26,28 ppm para los 30 min. Criterio de aplicación : ¡Aceptado!

Alejandro Riquelme Saldaña

Posteriormente, a través de la circular Nº 1241 del 18 de Junio de 1997, la SEC entrega un protocolo tentativo para medir el monóxido de carbono CO en interiores de vivienda. Este protocolo establece que el límite máximo permitido ambientalmente deberá ser de 45 ppm para un promedio de 30 min. pero, ninguna medición comprendidas dentro de los 30 min. podrá sobrepasar las 200 ppm por 5 min.

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Si repetimos el mismo ejemplo, pero con un pick de 200 ppm , tendremos: Tiempo / min. = 0 CO / ppm = 10

5 10 15 15

15 200

20 26

25 28

30 10

Por lo tanto, el CO promedio es de: 43,4 ppm durante los 30 min. Teóricamente estaría aceptado por ser inferior a 50 ppm, pero como una de las medidas entregó un valor de 200 ppm, entonces se rechaza la funcionalidad del artefacto por emisión de CO. En la actualidad se han reportado un gran número de denuncias a la Superintendencia de Electricidad y Combustible (SEC) con resultados de accidentes causados por : explosiones , incendios , intoxicaciones y muertes, como consecuencia del poco control sobre el uso del gas combustible. Lo anterior ha motivado una preocupación , no sólo para SEC, sino que también para las Empresas que venden gas combustible y para los Laboratorios de Servicios dedicados a la inspección periódica de las instalaciones.

A continuación se presentan los últimos

accidentes que han causado connotación pública. CASOS FATALES OCURRIDOS POR INTOXICACIÓN CON MONÓXIDO DE CARBONO

El 1° de marzo de 1997: Verónica Escárate (34 años), jefa de adquisiciones de la Comisión Chilena de Energía Nuclear, murió por inhalación de monóxido de carbono. Habitaba el departamento 503 de calle Encomenderos 237 de Las Condes.

3 de agosto 1997: El cuerpo de Paula Lira, de 22 años, fue encontrado en su departamento de Merced 471 muerte por inhalación de gas proveniente del calefon Agosto de 1997: La asesora del hogar Laura Liquén fue encontrada muerta en el baño del inmueble de Ricardo Lyon 619, por inhalación de gas. Sábado 20 de septiembre 1997: Elvira Cádiz visitaba a su esposo, el conserje del edificio ubicado en Santo Domingo 534. Luego de darse una ducha, su cuerpo fue encontrado en el piso del baño. Su deceso se debió a la inhalación de monóxido. Martes 16 de diciembre 1997:María Teresa Irribarren (20 años) fue encontrada sin vida por su padrastro a las 23.30 horas en el baño de su departamento N° 307 ubicado el el edificio

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El 1° de Julio 1997: Magdalena Leighton (24 años) falleció debido a la inhalación de monóxido de carbono que se acumuló en el ducto de ventilación del calefón. Residía en el departamento 503 de calle Encomenderos 237 en Las Condes .

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de Bilbao 3561. En el inmueble ya se habían producido otros casos de intoxicación, pero sin resultado fatal. Lunes 20 de abril 1998: una pareja fallece en un departamento de la calle Juan XXIII, en la comuna de Vitacura, como consecuencia de una asfixia por monóxido de carbono. Junio 1998: En un departamento en la comuna de San Miguel murió la menor Elisa Utreras, de dos años, intoxicada por CO. Jueves 27 de agosto 1998: Tres ciudadanos brasileños (un matrimonio y un lactante) perdieron la vida por inhalación de gas en el condominio El conquistador 4, ubicado en calle Compañía 1737. Lunes 21 de septiembre 1988:muere la sicóloga y funcionaria de Corp-Banca, Adriana Valjalo (31 años) vivía sola en el departamento N° 22 en un edificio de nueve pisos en calle Helvecia 228 (a escasas cuadras de Encomenderos 237, en donde se registraron los dos primeros casos de asfixia por gas). 10 de Abril 1999: Verónica González de 34 años y su hijo Mario Iván Montenegro González de 9 años , esposa e hijo de un asistente de la Policía de Investigaciones mueren asfixiados por inhalación de monóxido de carbono que emanaba de un calefon, presuntamente en mal estado, en su casa de calle San Andrés, comuna de Pudahuel. 28 de Abril 1999: Roberto Bernstein Martínez (11 años) se preparaba para ir a clases y mientras se bañaba en el departamento de su abuela en calle Carlos Antúnez, el CO que amanaba del calefón ubicado en la misma sala de baño,lo mató por asfixia. el 20 de Julio de 1999, muere intoxicado por CO el abogado de 39 años . Sr.Jorge Berghammer, vicepresidente de la comisión chilena del cobre. En la calle Chile-España N°537 de la comuna de Ñuñoa. El resto de su familia fue rescatada con agudos síntomas de intoxicaciones. La tragedia se debió a una estufa mural abastecida por Metrogas. La cual permaneció por muchas horas encendidas consumiendo el aire del recinto.

En abril del 2000, la Sra.Julia Lorca Espejo,una anciana de 83 años,que sobrevivió tras caer al vacío desde el cuarto piso de un edificio en Ñuñoa a causa de una explosión de gas. En abril del 2000,la intoxicación de 3 mujeres y un lactante con gas de ciudad, en un inmueble de la calle Teresa Clark, en Santiago-Centro. En Mayo del 2000, la intoxicación de una dama carabinero, quien pereciera por intoxicación en el interior del baño, mientras se duchaba al término de su turno.

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El 15 de Agosto de 1999 muere el Sr. Fco. Javier Segovia Toledo , empleado de una agencia de turismo, de 35 años de edad asfixiado con gas mientras se duchaba en su departamento ubicado en calle Bombero Máximo Humbser N° 537. Cabe destacar que ese mismo día, los 2 hijos del vecino del señor Segovia Toledo, habían experimentado desmayos a consecuencia de que un fuerte olor a gas inundó los pasillos del edificio.

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El día 20 de Julio del 2000, Muere la modelo argentina Karina Kresta. Su departamento ubicado en las Condes se incendia a consecuencia de la fuga de GLP de una estufa catalítica. La Modelo, sofocada por las llamas, salta al vacío desde el 15º piso. El 17 de Septiembre del 2000, muere por asfixia el Sr. Pedro Goic dirigente de la Democracia Cristiana y Subsecretario de MIDEPLAN. Su familia constituida por su hermano, esposa y suegra son internados con diagnóstico de gravedad. En el domicilio faltó el aire primario para el calefactor. El 20 de Junio del 2002, mueren por asfixia con CO, Victor Hugo Donoso de 14 años y su abuela Gladys María Hernández Pérez de 78 años. El calefon no tenía ducto de ventilación y se produjo acumulación de monóxido. El departamento se encuentra ubicado en calle El Guanaco Nº 1104 comuna de Conchalí. La mayoría de estos edificios, donde han ocurrido tragedias, presentan anomalías no sólo en sus artefactos, sino que además en los ductos colectivos o shaft . El problema seguirá siendo crítico debido al aumento significativo que ha tenido la construcción en altura. Sólo debemos reflexionar en el hecho de que - en promedio - se construyen en La Región Metropolitana entre 90 y 100 edificios al año.

Las principales anomalías que se presentan en los edificios comunitarios

canaletas de circuitos eléctricos ductos de respiración de baños Antenas de TV o de Video-Cable Cañerías de agua.

i.- Otro aspecto que se debe agregar es que muchas personas instalan en sus departamentos, otro calefon u otro calefactor, sin consultar a personas especializadas. Generalmente, las descargas de éstos nuevos artefactos, las ubican en el ducto de

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a.- Fugas de gas combustible, proveniente de artefactos, de las líneas de gases o del propio medidor de gas. b.- La ubicación ( inadecuada) de los nichos de medidores. c.- La falta de celosías de respiración en puertas de baño y en los cielos falsos. d.- La pérdida de tiraje en un determinado shaft, como consecuencia de que la celosía del mismo está obstruída o el cenicero se encuentra tapado, o bién, que el ducto colectivo carezca de verticalidad. e.- Falta de aislación térmica en las paredes del shaft, enfriándose los gases y perdiendo cinética. f.- Los residuos de la construcción en el interior de los ductos colectores, principalmente la Bepolita que se usó para la fabricación del ducto, y que no fue retirada por la Empresa Constructora. Este material se va disgregando y depositando gravitacionalmente en los ductos secundarios de calefones. g.- La construcción de un sombrerete aspirador estacionario no sujeto a normas. Lo anterior que se traduce en que, en lugar de ser aspirador, es un freno a la evacuación. h.- El uso inadecuado que muchas constructoras le dan a los shaft, ya que a través de ellos pasan a demás :

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respiración del edificio, lo que conlleva generalmente a que los gases desprendidos impacten en otras dependencias del edificio. j.- Finalmente debemos agregar que la mayoría de las personas se olvidan de hacer mantenimiento a sus propios artefactos, a lo menos, una vez al año. Cuando se les pregunta acerca de esto, la respuesta es siempre la misma ...........¿ y para qué, si todavía funciona? FORMACIÓN DEL MONOXIDO DE CARBONO ( CO ) La formación del monóxido de carbono CO fundamentalmente se debe a combustiones con déficit de aire, es decir, tal como se presentan la mayoría de las combustiones domiciliarias con los calefones, cocinas, estufas, hornos etc. Este tipo de combustión se conocen como combustión atmosférica. Si una combustión se realiza con exceso de aire, se produce también un enfriamiento del hogar lo que también conlleva a reacciones químicas incompletas y el resultado es emisión de CO. El “choque de llama” también produce emisiones de monóxido de carbono, debido a que la llama no termina de desarrollarse cuando se extingue. Esta situación se da con frecuencia en la mayoría de las combustiones domiciliarias. Así por ejemplo : a.- La llama choca contra la superficie metálica de la olla o tetera. b.- En las estufas la llama choca contra la rejilla metálica del refractario. c.- En el calefón la llama choca contra el serpentín que transporta el agua, que es una pared fría y/o contra la rejilla del intercambiador de calor. Estos fenómenos de choque de llama, déficit de aire o exceso del mismo, también producen emisiones de : - Oxidos de Nitrógeno NOx - Material Particulado ≤PM -10 - Compuestos orgánicos volátiles COV ( por ejemplo el HCHO)

MONOXIDO DE CARBONO : CO Es un gas tóxico, que no tiene olor, color ni sabor es irritante. Este gas además no se

de 1,145 (g / l), lo que significa que se distribuye de igual forma como lo hace el aire, ya que la densidad de éste es similar en valor. Este aspecto lo hace ser sumamente peligroso y se le ha dado el sobre-nombre de Asesino Silencioso Por otra parte, a ciertos combustibles gaseosos se les adiciona CO en su manufacturación, tal como el Gas de Ciudad o Bíogas y, también se les adiciona pequeñas cantidades de compuestos azufrados (mercaptano) para que desprendan un olor desagradable y poderlos detectar cuando hay fugas. Lo anterior constituye además un verdadero riesgo, ya que una simple fuga de gas de ciudad, proveniente de algún artefacto, podría matar a un individuo sólo con la cantidad de CO que contiene de su manufacturación (

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estratifica, ya que su densidad es parecida a la del aire. Es decir, a 25ºC y 1 atm resulta ser

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aprox. 2,8 % =28000 ppm) y sin la necesidad de haber combustión. A nivel de combustiones domiciliarias, el principal aporte de CO lo realizan: cocinas, chimeneas, estufas a gas y kerosenne, calefones, calderas murales, asaderas , humo de tabaco, braseros, termos y calentadores de agua.

Efectos del CO sobre la salud humana. El CO se enlaza a la hemoglobina de la sangre por medio de los átomos de fierro, formando la carboxihemoglobina , cuya afinidad aire.

por el CO es 200 veces mayor que con el O2 del

Por lo tanto se bloquea el transporte de oxígeno hacia los tejidos vivos. La reacción

química simplificada la podemos asumir como: Hb + CO → COHb (carboxihemoglobina) La reversibilidad del proceso es muy lenta y se necesitan varias horas de respiración en una atmósfera de aire puro, para liberar el CO de la sangre.

El siguiente cuadro resume el efecto del CO en el ser humano :

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De una población de personas, existen ciertos grupos que se encuentran más expuestos a los niveles de Monóxido CO, entre ellos:

La policía del tráfico.

Los guardias de túneles.

Los cuidadores de estacionamientos subterráneos.

PERSONAS CON MAYOR RIESGO : -

Bebes y niños.

Mujeres embarazadas.

Personas con angina de pecho.

Personas con incapacidad respiratoria.

Personas de la tercera edad.

Personas con anemia. Efectos de la carboxihemoglobina sobre la salud (OMS :Organización Mundial de la Salud).

COHb(%) < 1.0 1.0-2.0

Efectos Ningún efecto aparente Alguna evidencia de efectos en el comportamiento humano ( mareado, sueño)

2.5-5.0

Efectos sobre el sistema nervioso central Disminución de la capacidad

>5.0

visual.

Cambios cardíacos y pulmonares funcionales

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10.0-80.0 Dolores de cabeza, fatiga, desmayos, coma, falla respiratoria, muerte.

CONDICION Y METODO DE ENSAYO PARA MONOXIDO CO Art 4.3.4. R.E.489 ( 30 Marzo de 1999) Deben realizarse dos pruebas con el artefacto funcionando a plena carga : - CO ambiental donde se encuentra el artefacto y sus alrededores - CO corregido referencial ( es decir, referido a la cámara de combustión) El instrumento a utilizar deberá medir directamente los valores de CO ambiental, en el punto donde se ha instalado la sonda. Es decir, en los alrededores de la perforación del ducto secundario, cuando éste se encuentre a plena carga, durante la medición del CO referencial.

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Se recomienda que el operador tenga el instrumento de CO ambiental colocado a la altura de sus hombros.

Se deberán tomar 3 lecturas separadas por un minuto cada una y se considera el valor promedio de las tres como valor a registrar en la inspección. Repetir el mismo esquema en artefactos del Tipo-A, previo funcionamiento del mismo por 10 min. DETERMINACIÓN DEL CO AMBIENTAL Esta prueba complementaria a la anterior deberá verificarse antes y durante el encendido del artefacto. Es decir, en conjunto con la determinación

del CO corregido y del Tiro del

artefacto. 1.- Calibre el instrumento según indicaciones del fabricante ( en lo posible al aire ambiente) 2.- Cierre puertas y ventanas del recinto a observar, manteniendo las ventilaciones sin alterar y, es decir, si existen extractores o ventiladores, deben ser operados. 3.- Colocar la sonda de medición, en a lo menos dos posiciones, donde indique el morador que permanece mayor tiempo. 4.- Si los valores superar los 45 ppm de CO, se deja la instalación con Sello Rojo

Instrumento para CO Ambiental El instrumento de medición deberá reunir las siguientes características : a.-Sensibilidad mínima b.-Intervalo lectura

1 ppm

0 a 1000 ppm

c.-Tener un filtro que elimine cualquier contaminante del aire que interfiera en la medición ( principalmente alcoholes)

a un computador e.- El instrumento deberá ser calibrado periódicamente, según instrucción del fabricante.

DETERMINACIÓN DEL CO CORREGIDO O REFERENCIAL 1.- La medición deberá ser realizada a plena carga y a la condición más desfavorable. Es decir, con puertas y ventanas cerradas a otro recinto vecinal y con

extractores

desconectados. Pero, si el departamento tiene aberturas de ventilación fijas,

deberá

permanecer habilitada. Se deberán realizar 3 mediciones en cada artefacto y, cada una de ellas separadas por un tiempo de 1 minuto

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d.- Deberá tener Datalogger que permita almacenar y transferir posteriormente la información

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2.- Se deberá comenzar con el calefón del 1º piso, el que se hace funcionar a plena carga. Cuando se termina las 3 mediciones de él ( para obtener posteriormente un promedio), nos trasladamos al piso siguiente para proceder a medir el otro calefón a las mismas condiciones que el primero, pero sin apagar el calefón inicial. Es decir, debe continuar a plena carga. Al término del segundo, nos transladamos al 3º calefón del piso siguiente y se deberá mantener encendido a plena carga el 1º y 2 º y así sucesivamente, hasta terminar la vertical.

Rango de la medición CO corregido Entre 0 y 400 ppm

Observación Buenas condiciones. Sello Verde Malas condiciones, mantener o reparar

Entre 401 y 1000 ppm

Sello Amarillo ( por 15 días)

Mayor que 1000 ppm

Se recomienda reemplazar el artefacto Sello Rojo

LOS GASES COMBUSTIBLES Se clasifican en 3 familias: a.- Primera Familia (Gas de Ciudad): está constituida por los gases manufacturados,

fábrica y se distribuye a través de redes subterráneas.

Este gas también recibe la

denominación de aire butanado o propanado, para indicar el bajo contenido de propanobutano. En lo referente a la obtención, podemos decir que éste gas tiene un alto porcentaje de biogas o gas de basural el cual es muy pobre en calorías. La fabrica lo enriquece mediante el cracking de la nafta (que son hidrocarburos contenidos en el asfalto) Este proceso de craking también genera CO y que es por ende, adicionado al gas manufacturado. Esta es la razón por la cual el gas de ciudad contiene, desde su fabricación, cantidades no despreciable

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el que comúnmente se le designa como Gas de Ciudad. Este gas procede desde una

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de monóxido (aprox. 3%), lo que lo hace ser muy peligroso, ya que sin existir combustión en una fuente, estaría presente el monóxido de carbono. b.- Segunda Familia : (Gas Natural). El gas natural usado en Chile es muy rico en Metano. Su procedencia es de Neuquén Argentina. El City-Gate se encuentra en San Bernardo, aquí se reduce la presión de llegada del combustible hasta una presión de aproximadamente 8 bar, para ser distribuidos por una red subterránea que recorre toda la ciudad.

c.- Tercera Familia : Se refiere a los gases licuados de petróleo, los que son muy ricos en propano y/o butano. Estos gases se distribuyen en cilindros, donde van a una alta presión que los mantiene al estado liquido dentro del cilindro( 10 atm ) Cada una de éstas familias tiene propiedades Físicas y Químicas propias, tales como: densidad específica, densidad relativa, poder calorífico, índice de Wobbe, composición química, presiones de servicio etc.etc. Por lo tanto, si un quemador funciona bien con un tipo de gas, el mismo quemador funcionará muy mal, con un gas de otra familia y será necesario acondicionarlo mecánicamente para poder usarlo.

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PROPIEDADES DE LOS GASES FAMILIA DE GASES COMBUSTIBLES Fórmula GAS

Nitrógeno Oxígeno Argón Deióxdo de Carbono Hidrógeno

% Volumen

Densidad

P.ebullición

P. fusión

Solubilidad en agua

(ºC) -198,5 -183 -185,7 -78,5

(ºC) -209,8 -218,4 -189,2 -56,6

(cm3/L) 23,5 48,9 56 1713

-252,7

-259,1

21,4

N2 O2 Ar CO2

78,08 20,9 0,93 0,0033

(g/ml) 1,25 1,43 1,78 1,97

5, OE-05

0,09

PRIMERA FAMILIA = GAS DE CIUDAD Propiedades

Proviene de Fábrica Alto porcentaje de biogas Se enriquece con el craking de ka nafta (CO) Se distribuye por redes

Component es

Composició n Porcentual

Element os

Composici ón Centesimal

Características Asociadas

CO H2 CH4 Mezcla de (CO2 + N2+ SO2)

3% 53 % 23 % 21 %

C H O N S

29,5 % 8,6 % 46,8 % 15,1 % <0,01 %

Component es

Composició n Porcentual

Element os

Composici ón Centesimal

Características Asociadas

CO4 C2H6 N2 CO2 H2S

92 % 4,3 % 0,9 % 1,7 % 1,1 %

C H O N S

76,0 % 23,2 % 0,0 % 0,8 % <0,02 %

Densidad absoluta = 0,8(Kg/m3) Densid. Relativa =0,7 (a 25ºC y 1 Atm) PCS = 9500 Kcal/m3 P. Serv. = 1,8 Kpa (rango:1,5-2,2 Kpa) Rango Inflambilidad =(5-15) %

Densidad absoluta = 0,68(Kg/m3) Densid. Relativa =0,59 (a 25ºC y 1 Atm) PCS = 4500 Kcal/m3 P. Serv. = 1,35 Kpa (rango:0,67-2,03 Kpa) Rango Inflambilidad =(15-25) %

SEGUNDA FAMILIA = GAS NATURAL Propiedades

Proviene de Argentina Muy rico en metano CH4 Se reduce la presión de llegada hasta 8 Bar Se distribuye por redes

Propiedades

Mezcla PropanoButano Se distribuye en cilindros Los cilindros aprox. 10 At Se debe garantizar el regulador de presión.

Component es

Composició n Porcentual

Element os

Composici ón Centesimal

Características Asociadas

C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 SO2

0,5 % 9,1 % 30,8 % 59,58 % 0,01 %

C H O N S

81 % 19,0 % 0,0 % 0,0 % 0,01 %

Densidad absoluta = 1,81(Kg/m3) Densid. Relativa =1,58 (a 25ºC y 1 Atm) PCS = 22400 Kcal/m3 P. Serv. = 2,7 Kpa (rango:2,2-3,3 Kpa) Rango Inflambilidad =(2,4-9,7) %

TERCERA FAMILIA = GAS LICUADO Tc/ºk Pc /Atm GAS H2 N2 O2 CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 Iso-C4H10

33,2 126,0 154,3 191,1 305,2 369,9 426,0 407,1

12,8 33,5 49,7 45,8 48,8 42,0 36,0 37,0

CONSTANTES CRITICAS DE ALGUNOS GASES

EL ESTUDIO DE LOS GASES COMBUSTIBLES PUEDE SER REALIZADO EN: Baja Presión

(0 – 5) KPa

Media Presión

(5,1 – 600) Kpa

CONCEPTOS BASICOS ASOCIADOS AL BALANCE DE MASA Fluido : Es toda sustancia ( líquida o gaseosa ) cuya cohesión molecular es tan baja, que se adapta fácilmente al recipiente que la contiene. Como ejemplo tenemos los gases y los líquidos en general.

Movimiento de un fluido en un ducto : Tradicionalmente el movimiento de un fluido en un ducto, se determina siguiendo el movimiento de cada partícula que forma parte del fluido. Este hecho nos permite entonces aplicarle a cada una de éstas partícula las leyes de la mecánica clásica ( Newtoniana).

Tipos de Fluido : Los fluidos pueden clasificarse como compresibles e incompresibles

- Fluido Compresible

: Es aquel que tiene una densidad variable(gases)

- Fluido Incompresible : Es aquel que tiene una densidad constante(líquidos)

Línea de Fluido : Corresponde a la dirección y sentido en el cual se mueve el fluido en un ducto. Este es el primer parámetro que debemos conocer cuando se analiza, por ejemplo :

La salida de los gases de escape desde una fuente de combustión

La llegada de un combustible ( líquido o gaseoso) proveniente de un estanque.

El impacto de un fluido sobre una superficie

El paso de un fluido a través de un orificio crítico

La descarga de un fluido desde un sistema a otro. etc. etc.

Caudal : Es la cantidad de fluido que pasa por un punto de referencia, en cada unidad de tiempo.

Tipos de Caudales : Existen 3 tipos de caudales como los más clásicos y que se asocian principalmente con nuestro estudio

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Caudal Laminar : Cuando las partículas del fluido se desplazan por el ducto en forma de láminas, siendo la velocidad de flujo mayor al centro del ducto que en las orillas.

En un caudal de tipo laminar como el perfil de velocidades es de tipo cónico la máxima velocidad se obtiene en el centro del ducto ya que las líneas de corriente que van cerca de las orillas pierden velocidad debido a el roce con las paredes. -

Caudal Turbulento : Cuando las partículas del fluido tienen una velocidad angular neta, respecto de la línea de fluido. Por lo tanto, el fluido mostrará durante su

Es decir, en todos los puntos de la sección

transversal se tendrá prácticamente la misma velocidad.

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desplazamiento, un perfil plano.

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Caudal Ciclónico : Cuando las partículas de fluido se desplazan en vórtice respecto a la línea de fluido. Si medimos la presión de velocidad en un barrido por la sección transversal del ducto, encontraremos que al centro de éste, la presión de velocidad es cero.

curso, y que repasaremos a continuación:

Masa : Es la cantidad de sustancia que tiene un cuerpo o que tiene un sistema. Se expresa en gramos (g) o en Kilos (Kg). También hay unidades más pequeñas que se usan con frecuencia, tales como el milígramo(mg) o el microgramo(µ

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Hay algunas definiciones que usaremos frecuentemente durante el desarrollo de éste

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Densidad : Es lo que masa

la unidad de volumen de un cuerpo, o del sistema en estudio.

Esta definición también se conoce como Densidad Absoluta. Se expresa en

g o bien,. en cc

kg . Esta última dimensión es la más usada a nivel industrial. Así por ejemplo : m3 La densidad ( o densidad absoluta) del GLP es de = 2

kg m3

La densidad ( o densidad absoluta) del Gas de Ciudad es de = 0,68 La densidad ( o densidad absoluta) del Gas Natural es de = 0,6

kg . m3

También se usa frecuentemente el concepto de Densidad Relativa para indicar cuantas veces es más pesado un sistema que otro, al comparar volúmenes iguales de ambos. Cuando son gases se usa como referencia el aire y cuando son sólidos y líquidos se usa de referencia el agua. Veamos un ejemplo : Problema 1.¿Cuál es la densidad absoluta del aire a 25ºC y 1 atm?. Suponga comportamiento ideal

PV = nRT

⇒ ρ=

PM = RT

1atm * 28,96( 0,082(

g ) mol

atm· l )· 298,16º K K· mol

= 1,18 (

g ) l

Problema 2.¿Cuál es la densidad absoluta del Metano a 25ºC y 1 atm?. Suponga comportamiento ideal ⇒ ρ=

PM = RT

0,082(

g ) mol

atm· l )· 298,16º K K· mol

= 0,65 (

g ) l

Problema 3.¿Cuál es la densidad relativa del metano? ρr =

0,65( g / l ) = 0,55 1,18( g / l )

(resulta entonces una magnitud adimensional)

Por lo tanto, la densidad absoluta es dimensional y la densidad relativa es adimensional.

Alejandro Riquelme Saldaña

PV = nRT

1atm *16(

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Problema integrado : Calcular la densidad relativa y la densidad absoluta de una mezcla gaseosa formada por 0,46% Etano(C2H6), 9,14% Propano (C3H8), 30,8% de Isobutano (i-C4H10) y 59,6 % de Butano Normal(n-C4H10). Las densidades relativas de cada componente son : 1,049, 1,562, 2,064, y 2,091. Desarrollo Componente

Tanto x 1

Dens. Relativa

Producto

C2H6

0,46

0,0046

1,049

0,004825

C3H8

9,14

0,0914

1,562

0,142767

i-C4H10

30,8

0,3080

2,064

0,635712

n-C4H10

59,6

0,5960

2,091

1,246240 Σ

2,02954

Por lo tanto, la densidad relativa de la mezcla es de 2,029. Esto significa que la mezcla masa 2,029 veces lo que masa igual volumen de aire. La densidad absoluta de la mezcla es de = 2,02954 · 1,18 (

g g Kg ) = 2,4 ( ) = 2,4 3 l l m

CONCEPTO DE PRESION

Kg Fuerza = Superficie cm 2

- La presión de servicio de los gases combustibles se expresa en mm.c.a. De esta forma : 10 mm.c.a. = 1

g cm 2

A nivel del mar, la presión ejercida por la atmósfera es de 1.033 1,033

g , o bien, cm 2

kg y que de acuerdo con la relación anterior corresponde a : cm 2

Alejandro Riquelme Saldaña

Es la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie

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1.033

1cm 3 H 2 O 10mm.c.a. g · · = 10.330 mm.c.a. 1g 1cm.H 2 O cm 2

TRANSFORMACIONES DE PRESIÓN ( A. Riquelme Saldaña & H. Soto Nilo) Lb/ 2 psi

Atm. física

Pie col.de H2O

Inch H2O

Kg/cm

0.0680

2.310

27.720

0.0700

704

2.043

14.696

33.659

407.513

1.0330

10351

0.433

0.0290

12.000

0.0300

0.036

0.0025

0.833

14.233

0.9680

32.867

1.422

0.0970

0.489

mm.c.a Pulgad mm.Hg a de Hg H2O

Cm.Hg

Bar

Milibar (mb)

kPa

51.884

5.188

0.0690

68.947

6.895

30.019

762.480

76.284

1.0130

1013.0

101.32 5

305

0.884

22.452

2.245

0.0300

29.837

2.984

0.0025

0.074

1.871

0.187

0.0025

2.486

0.249

394.408

10018

29.054

737.959

73.796

0.9810

980.662

98.066

3.287

39.370

0.0990

2.905

73.796

7.379

0.0980

98.066

9.807

0.0330

1.131

13.575

0.0340

345

25.400

2.540

0.0340

33.753

3.375

0.019

0.0013

0.045

0.534

0.0014

13.6

0.039

0.100

0.0010

1.329

0.133

0.193

0.0131

0.445

5.340

0.0140

136

0.393

10.000

0.0133

13.290

1.328

14.503

0.9870

33.514

402.164

1.0200

10211

29.625

752.470

75.247

1000.0

100.00

0.014

0.0009

0.033

0.402

0.0010

10.2

0.029

0.752

0.075

0.001

0.100

0.145

0.0098

0.335

4.021

0.0100

0.296

7.525

0.0752

0.010

10.000

102

Para un sistema gaseoso en tránsito hay dos ecuaciones cuantitativamente el comportamiento del fluido:

La ecuación de Continuidad ( balance de masa)

La ecuación de Bernouilli (balance de presiones)

que nos permiten estudiar

Alejandro Riquelme Saldaña

Conceptos básicos en dinámica de fluidos

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ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

En el punto P :

ρ1 =

∆m1 ∆V1

(1)

∆m1 = ρ1 *∆V1 = ρ1 * A1 *∆X1 ∆ X 1 = v1 * ∆t1

(2)

(3)

Reemplazando ecuación (3) en (2) resulta: ∆m1 = ρ 1 * A1 * v1 * ∆t1

∆m1 = ρ 1 * A1 * v1 ∆t1 Similarmente para el punto Q tendremos:

∆m 2 = ρ 2 * A2 * v 2 ∆t 2 Si ∆t tiende a cero, entonces el

∆m dm tiende a ∆t dt

dm1 dm2 = dt1 dt 2

Conocida como Ecuación de Continuidad o Conservación de la Masa

Alejandro Riquelme Saldaña

Si a lo largo del ducto no hay pérdida ni ganancia de fluido, entonces :

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Por lo tanto, volviendo a la ecuación de continuidad, tenemos : A1 v1 ρ1 = A2 v2 ρ2 El caudal se representa por el producto A · v Q = A· v

El volumen específico es el recíproco de la densidad Vesp =

1 ρ

⇒ρ=

1 , por lo tanto Vesp.

Q1 Q 2 = Ve1 Ve2

Q m3 N / h KgCb (Consumo horario ) = 3 = V m N / KgCb h

Se concluye que :

El consumo de combustible en el punto 2, es igual al consumo de combustible en el punto 1, cuando no existe ganancia ni pérdida de fluido entre ellos.

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BALANCE DE PRESIONES (ECUACION DE BERNOULLI)

Consideremos una descarga de gases como se indica en la figura y analicemos el comportamiento del fluido.

• A la salida del hogar, hemos considerado una porción del volumen del fluido que pasa por una sección A 1, con presión p1 y velocidad v1. Esta porción se encuentra a la distancia y1 desde el nivel de referencia. • En la descarga, el fluido pasa por una sección A 2, con presión p2 y velocidad • El fluido se mueve por la acción de una fuerza F= p A

El trabajo

τ = F ∆l τ = p A ∆l

Por lo tanto, en la salida del hogar, el trabajo realizado por los gases será : τ1 = p1 A ∆l1 En la descarga, el trabajo realizado por los gases será : τ2 = p2 A2 ∆l2

Alejandro Riquelme Saldaña

v2 . Encontrándose a la distancia y2 respecto del nivel de referencia.

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Para mover al sistema desde la salida del hogar hasta la descarga, el trabajo neto sobre el sistema será :

-τ =

p2 A2 ∆l2 -

-τ =

p2 v2 -

p1 A1 ∆l1

p1 v1

ρ = m /V ⇒ V = m / ρ p2 m2 / ρ2

-τ =

p1 m1 / ρ1

Si no existe un sistema de control asociado que origine ganancia o pérdida de fluido, entre la salida del hogar y descarga de la chimenea, se puede afirmar, que se deberá satisfacer entonces la ecuación de continuidad. Por lo tanto : m1 / ρ1 = m2 / ρ2 = m / ρ -τ = ( p2 - p1 )* m / ρ

τ neto realizado y corresponde a la Energía Mecánica sobre el sistema, por lo tanto :

Energía mecánica sobre el sistema

τ =

Ec + Ep

τ = - ( p2 - p1 )* m / ρ = (½ * m * v22 - ½ * m * v12 ) + (m *g * y1 - m * g * y2) m / ρ * ( p1 - p2 ) = ½ * m * v22 -

½ * m * v12 + m *g * y1 - m * g * y2

ordenando y simplificando p1

½ * ρ* v12 + ρ *g * y1

Si:

y=h

= p2 + ½ * ρ* v22 + ρ* g * y2 = cte.

p + ½ * ρ* v2 + ρ* g * h = Cte.

Alejandro Riquelme Saldaña

τ =

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Esta ecuación se conoce como Ecuación de Bernoulli y es válida para una línea de corriente de un fluido en movimiento. Hagamos un análisis dimensional en la ecuación de continuidad: p + ½ * ρ* v2 + ρ* g * y = cte.

Kg m 2 * m 3 s2

atm + atm +

kg m * *m m 3 s2

Kg Kg + 2 m*s m * s2

pero :

presión =

F m*a = = A A

Kg * m

m s2

Kg m * s2

por lo tanto, la ecuación de Bernouilli corresponde a un balance de presiones. pL

+ ½ ρ v2 + ρ g h = cte.

siendo pL = la presión en una determinada línea de fluido

• Si la velocidad es cero, entonces se anula el término “Presión Dinámica” representado por:

Presión Dinámica = ½ ·ρ v2

pL + ρ g h = cte. p1 + ρ g h1 = p2 + ρ g h2 ( p2 - p1 ) = ρ g ( h2 - h1 )

Presión Estática ∆p = ρ g ∆h

Alejandro Riquelme Saldaña

• El resto de la ecuación :

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A) Apliquemos la Ecuación de Bernoulli al Tubo Pitot.

p1 +½*ρ * v12 + ρ * g * h1 = p2 + ½ * ρ * v22 + ρ * g * h2

Dado que en el punto P2 se produce un estancamiento, por lo cual v2 = 0 y como se está trabajando sobre una misma línea de acción entonces h1 = h2 : p1 + ½ * ρ * v12 = p2 v12 = 2*( p2 - p1 ) / ρ v12 = 2*∆p / ρ pero

ρ=

Ps * Mw R * Ts

∆p = presión de velocidad en el ducto ( mm.c.a.) Ps = presión absoluta en el ducto de chimenea Mw = peso molecular del gas de chimenea, como húmedos. Ts = temperatura absoluta de la chimenea. luego v12

2 * ∆p Ps * Mw R * Ts

2*R *

= Kp *

2 * R * Ts * ∆p Ps * Mw

Ts * ∆p Ps * Mw Ts * ∆p Ps * Mw

Alejandro Riquelme Saldaña

donde

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Si en lugar de un Pitot Estándar se usa un Pitot Tipo L, es decir con coeficiente Cp, se tendrá :

v = Kp * Cp *

Ts * ∆p Ps * Mw

siendo Kp una constante que hace dimensionalmente compatible a esta ecuación. Ps = Presión absoluta ( mm.Hg)

CONCEPTO DE PRESIÓN ABSOLUTA Y PRESIÓN MANOMÉTRICA La presión se define como la fuerza por unidad de área. Muchas medidas de presión toman a la presión atmosférica como referencia. De esta forma, todas las presiones medidas sobre la atmosférica son consideradas como presiones positivas y las presiones bajo atmosférica son consideradas como negativa. La presión absoluta resultara entonces como la suma algebraica entre la presión atmosférica y manométrica

Pabs = Patm + Pm Donde :

= es la presión absoluta

Patm

= es la presión atmosférica o barométrica

Alejandro Riquelme Saldaña

Pabs

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= es la medida de presión manométrica

CONCEPTO DE PRESION DE VELOCIDAD

La presión de velocidad que tiene un fluido en un ducto, corresponde a la diferencia entre la presión total y la presión estática, como se demuestra en la siguiente figura :

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La presión de velocidad se expresa por: ∆P = Presión de velocidad en el punto P PP = Presión total en el punto P PS = Presión estática en el punto S

∆P = PP - PS

COMBUSTIÓN ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Cuando se lleva a efecto una reacción de combustión, se genera CO2 (g), H2O (v) Calor y Luz. La reacción química teórico la podemos representar por:

CxHy + ( x+y/4) O2 = x CO2 + (y/2) H2O +Q + Luz

los productos de esta reacción son todos gaseosos y emergen desde la cámara de humos a alta temperatura y bajas presiones, lo que significa que los gases de escape se comportan como ideales. Para el Organismo Fiscalizador Chileno, las condiciones estándar son a 25ºC y 1,0 atm. Por lo tanto, el volumen molar de la mezcla será

Vm =

R· T 0,082(atm· l / mol º K ) * 298,16º K = = 24,45 ( l / mol) P 1atm

El factor más importante en la estequiometría de la combustión la presenta la composición

Composición centesimal promedio de los combustibles usados en Chile GLP

Biogas

G.Natura P.#6

29,5

86,6

86,1

86,3

85,9

45,1

72,2

8,60

23,2

10,6

13,1

13,6

5,6

0,0

46,8

0,0

0,1

0,0

43,5

11,8

0,0

15,1

0,8

0,1

0,0

0,01

1,3

0,01

0,0

0,02

1,7

0,6

0,08

1,7

P.#5

Diesel Parafina

Leña Carbón

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centesimal del combustible, cuyos valores los reportamos en la siguiente tabla:

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Así, para cualquier combustible consideraremos las siguientes representaciones:

% Carbono

% Hidrógeno = H

% Oxígeno

% Azufre = S

% Nitrógeno = N

Los óxidos de nitrógenos (NOx) se forman en el frente de llama, es decir donde la temperatura alcanza valores puntuales de aproximadamente 2000 ºC. Estas temperaturas tan elevadas se presentan en los puntos de explosión. Es decir, al atomizarse el combustible (una partícula de combustible rodeada totalmente por aire), explota como consecuencia del calor generado por el frente de llama. Este punto de explosión genera temperaturas tan elevadas que favorecen la formación de óxido nítrico (NO). Posteriormente cuando los gases de escape abandonan la cámara de combustión se van enfriando, y formándose los (NO2) (D.J.Patterson & N.A.Henein. Emissions from Combustion Engines and their control. Texto, Ann.Arbor Science Publisher Inc., p 100 (3) 1074.

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Al respecto: C + O2  CO2

C gr de C 1mol de C 1mol de O 2 24,45 lt de O 2 1 m 3 de O 2 1000 gr Cb × × × × × 100 gr Cb 12 gr de C 1mol de C 1 mol de O 2 1000 lt de O 2 1 Kg Cb 3  C   m NdeO2  = 0.2445 ×      12   Kgcb 

Como el aire contiene 21 % en volumen de oxígeno, se puede determinar la cantidad de aire estequiométrica necesario para combustionar los C gr de Carbono.

Así : 1m 3N Aire  C  m3 NdeOxigeno  C  m3 Naire × = 1.164 ×   0.2445×   3 Kgcb 0.21 m N Oxígeno  12   12  Kgcb

Esto significa que para combustionar totalmente el carbono contenido en el 1 kg combustible, se requieren de 0,2445 * ( C / 12 ) m3N

de Oxígeno puro ó 1,164

*(C / 12) m3N Aire

B.-Cuando la combustión es completa,

también se puede evaluar el

desprendido. Así: C + O2  CO2

Cgr de C 1 mol de C 1 mol de CO 2 24,45 lt de CO 2 1 m 3 de CO 2 1000 gr Cb × × × × × 100 gr Cb 12 gr de C 1 mol de C 1 mol de CO 2 1000 lt de CO 2 1 Kg Cb

(

C = 0.2445×   m3N de CO2 Kg Cb  12 

)

CO 2 máximo

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Supongamos que el combustible (Cb) contiene C (% de Carbono).

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A. Balance estequiométrico para el O2:



2H· + 0,5 O2

H2O

basados en la misma ecuación anterior, podemos determinar estequiométricamente la cantidad de agua ( al estado de vapor) que se formaría durante la combustión completa del H contenido en el combustible:

1 m 3 de H 2 O ( v ) 1000 gr Cb H gr de H 1 átomo de H 1 mol de H 2 O(v) 24,45 lt de H 2 O(v) × × × × × 100 gr Cb 1 gr de H 2 átomos de H 1 mol de H 2 O ( v ) 1000 lt de H 2 O ( v ) 1 Kg Cb H = 0.2445 ×   2

3 N

de H 2 O(v) Kg Cb

)

D.- Las reacciones de combustión para Azufre (S), Nitrógeno(N) y Oxígeno (O) del combustible las podemos presentar por las siguientes ecuaciones:

S + O2



SO2

N + O2



NO2

O + (1/2) O2



Cuyos balances para oxígeno serían respectivamente : Para Nitrógeno:

0,2445 x ( N / 14 ) ........…..( m3N Oxig / Kg cb )

Para Azufre :

0,2445 x ( S / 32 ) ........... ( m3N Oxig / Kg cb )

Para Oxígeno:

(-) 0,2445 x ( O / 32 ) .......( m3N Oxig / Kg cb )

como estamos realizando el balance referido al Oxígeno requerido para combustionar 1 kg de combustible, debemos restar el oxígeno propio del combustible.

Podemos obtener entonces la ecuación general para el Oxígeno Estequiométrico (Oest) y para el Aire estequiométrico (Aest).

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cantidad de oxígeno necesario para combustionar todo el hidrógeno será :

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C.- De forma similar, si H es el porcentaje de H contenido en el combustible, entonces la

Oest = 0,2445 x [ C/12 + H / 4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ] ( m3N Oxig / Kg Cb )

A est = 1,162 x [ C/12 + H/4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ]

(m3N Aire/Kg Cb)

El aire estequiométrico (o teórico) corresponde a la cantidad mínima necesaria para que en una fuente de combustión

se produzca el

encendido de

la mezcla combustible. Sin

embargo, esta cantidad de aire no tiene la capacidad de mantener la llama, por ser estequiométrica o teórica.

El aire estequiométrico se expresa por:

Aest.

= Oest. + Nest.

En resumen, los gases de escape estarán formados por:

CO2

0,2445 x (C /12)

(m3N / kg Cb)

SO2

0,2445 x (S /32)

(m3N / kg Cb)

NO2

0,2445 x (N /14)

(m 3N / kg Cb)

H2O

0,2445 x (H /2 )

(m 3N / kg Cb)

Aest. - Oest = 0,79·Aest

(m3N / kg Cb)

La suma de estos productos, nos entregan los gases de escape estequiométricos húmedos, que abandonan la cámara de humos(GEH) GEH= 0,2445 · [ C/12 + H/2 + S/32 + N/14] + 0,79·Aest ( m3N / kg Cb) Pero recordemos que Aest =1,162 x [ C/12 + H/4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ]. Puesto que la humedad es sensiblemente variable, los Organismos Internacionales prefieren referir los cálculos de combustión a base seca. Por lo tanto debemos restar la producción de agua.

Alejandro Riquelme Saldaña

Nest. =

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( m3N / kg Cb )

GES = GEH - 0,2445 · ( H / 2 )

Con el propósito de mantener encendida la llama en el hogar, es necesario adicionar una cantidad de aire mayor que la teórica. De esta forma si miramos la ecuación de combustión como una ecuación química, entonces el equilibrio lo desplazaremos hacia los productos de la reacción.

Esta cantidad de exceso de aire está perfectamente controlada

por el

Organismo Fiscalizador a través del Decreto Supremo Nº 322 de 1993 que de acuerdo al método 3B de la EPA es:

%AE =

− 0,5%CO 2 0,264%N − %O + 0,5%CO 2 2 %O

La razón por la cual se controla este exceso es para evitar: a.- La dilución en la concentración de cualquier contaminante que se mida, principalmente material particulado. b.- Evitar las malas combustiones, porque el exceso de aire enfría el hogar de la fuente, la combustión se hace incompleta y se genera monóxido CO. c.- Sabemos que N2 del aire no interviene en la reacción de combustión, sin embargo, saca Sí el aire se encuentra en exceso, el nitrógeno será mucho mayor y también será mayor la cantidad de calor que se pierde en los gases de escape. Esto se traduce como una pérdida de dinero por parte de los usuarios de la fuente. El aire en exceso se pondera por la expresión llamada " Relación de Aire λ "

Relación de aire λ

Aire Re al AireEstequiométrico

Areal / Aest.

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calor sensible del hogar ( Cp · dT ) para entregarlo a la atmósfera.

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Entonces, los gases reales húmedos los podemos considerar como:

GRH = GEH + Aire exceso

A exceso = Areal - Aest A exceso = λ*Aest - Aest A exceso = Aest · (λ - 1)

reemplazando tenemos:

GRH = GEH + (λ - 1 )·Aest

A modo de satisfacer las normativas internacionales, que recomiendan referir la medida en base seca, es necesario referir los resultados a los Gases Reales Secos (GRS), conocidos también como Volumen Específico.

Este último parámetro reviste gran interés para los

laboratorios de medición ya que a partir de él, se determina el consumo de una fuente a la plena carga. Concepto de plena carga : Es la condición de máxima que puede tomar una fuente, sin

estipulados por el fabricante. A esta condición se supone que todos los parámetros de la fuente son perfectamente conocidos y dados en la placa de la misma ( de aquí la importancia que tiene la placa)

Físicamente, La Plena Carga se refiere al consumo máximo de combustible en el quemador de la fuente, para lograr su potencia nominal

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importar el proceso involucrado y resguardando sólo los parámetros de seguridad

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la siguiente tabla nos muestra el % AE máximo permitido por D.S. 322 y los correspondientes valores de λ recomendados, para cada combustible.

GLP Biogas G.Natura %AE (mp) 5,0 λ

5,0

1,05 1,05

P.Nº6 P.Nº5 Diesel

Parafina

Leña

Carbón

5,0

50,0

40,0

20,0

150,0

100,0

1,05

1,5

1,4

1,2

2,5

2,0

En resumen, las principales ecuaciones asociadas a la combustión estequiométrica son: Oest = 0,2445 * ( C/12 + H/4 + N/14 + S/32 - O/32)

( m3N / kg Cb)

Aest = 1,162 * ( C/12 + H/4 + N/14 + S/32 - O/32)

(m3N / kg Cb)

GEH = 0,2445 * ( C/12 + H/2 + N/14 + S/32 ) + 0,79 * Aest

(m3N / kg Cb)

GES = GEH - 0,2445 * (H/ 2 )

(m3N / kg Cb)

GRH = GEH + (λ - 1 ) * Aest

(m3N / kg Cb)

GRS = Ve = GRH - 0,2445 * (H / 2 )

(m3N / kg Cb)

Otros parámetros de gran interés y utilidad para la realización de cálculos asociados con la combustión es el conocer el peso molecular del gas como seco y húmedo. Ambos parámetros serán tratados en detalle en el módulo 3. Sin embargo, sin entrar en el detalle, pueden ser evaluados a partir del Nomograma de la EPA. Además, a partir de los valores entregados por el Nomograma, podemos conocer la fracción molar del gas seco y la fracción molar de humedad que acompañan a los gases de acuerdo con las ecuaciones :

Xgs =

( Mw − 18) ( M D − 18)

Alejandro Riquelme Saldaña

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GRS (ó Ve ) = GRH - 0,2445 · ( H / 2 )

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Potencia nominal (kcal/h)= Consumo Combustible(kg cb/h) · PCS (kcal/kg cb)

El porcentaje de humedad que contiene los gases de escape será:

% h = 100·Xh

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Xh = (1-Xgs)

Alejandro Riquelme Saldaña

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Problema de aplicación: Se midió un calefon de potencia calórica 22 Kw, de un determinado departamento, la emisión de monóxido CO resultó ser de 14 ppm, el CO 2 encontrado fue de 7 % y el de O 2 de 8,6 %. Si la temperatura de los gases de escape resultaron ser de 150 º C ( 423,16 ºK) y el calefon usa GLP como combustible ( PC : 22400 kcal/m3N). Determine todos los parámetros estequiométricos de combustión, si las condiciones ambientales fueron de 15 ºC ( 288,16ºK) y 716 mm Hg.( 0,942 atm )

CO = 14 ppm = 0,0014 % CO2 = 7 % O2

= 8,6 %

λ =

21 21 = = 1,69 (21 − O2 ) (21 − 8,6)

N2 = 100 –( CO + CO2 +O2 ) = 100 – ( 0,0014 + 7+6,8))

84,4 %

MD =

29,5 (g/mol)

= = = = = =

2,81 (m3N/kg cb) 13,39 (m3N/kg cb) 14,55 (m3N/kg cb) 12,22(m3N/kgcb) 23,8 (m3N/kg cb) 21,5 (m3N/kg cb)

∑ xi· Mi = 0,0014*28+0,07*44+0,086*32+0,844*28

Oest = 0,2445 ·(81/12+19/4+0,01/32) Aest = 1,162·(81/12+19/4+0,01/32) GEH = 0,2445 · (81/12+19/2 +0,01/32) +0,79 * 13,39 GES= 13,36-0,2445*19/2) GRH = GEH + (λ - 1 ) * Aest = 12,23 + (1,69-1)·13,39 GRS = Ve = 37,12-0,2445*(19/2)

De la ecuación de estado de los gases PV = n RT, donde n representa el número de moles : n = (g / M ) al reemplazar tendríamos: PV = (a/M) *RT. Ordenando y haciendo (a/V) = ρ, en ρ = (PM/RT) en ( g/l) ρ aire = (PM/RT) = (0,94 atm ·28,96(g/mol) / 0,082(at·l/K·mol) · 288,16ºK = 1,15 ( g/l)

Usando el Nomograma de la EPA tendremos :

Xh = 1-0,886 = 0,113 % H2O en los gases escape = 11,3 % ρ gh =

P * Mw = 0,94 atm * 28,2 (g/mol) / 0,082(atm*l/kmol) *423,16 = 0,764 (g/L) R * Tg

Esta diferencia de densidad o gravedad específica entre los gases de escape y el aire ambiente nos sirve para evaluar el tiraje de la chimenea. Un parámetro de gran interés, ya que nos informa de la fuerza con la cual son evacuados los gases productos de la

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MD = 29,5 (g/mol) Mw = 28,2 (g/mol) ( Mw − 18) (28,2 − 18) Xgs = = = 0,886 MD − 18) (29,5 − 18)

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combustión. Si el tiro de una chimenea es muy bajo, significa que los gases de escape en lugar de ser sacados del sistema, están siendo acumulados lo que constituye un peligro. Por el contrario, si el tiro de chimenea es muy grande (forzado),estamos sacando el calor generado por el combustible, y botándolo a la atmósfera. Por lo tanto, debemos regular adecuadamente el tiro de la chimenea.

CONCEPTO DE TIRAJE ( DRAFT) El término tiraje comúnmente se usa para designar la depresión que se origina por la diferencia de densidad en el hogar o en el ducto de evacuación de gases de escape de una chimenea En la práctica existen 4 categorías de Tiraje : Tiro forzado, Tiro inducido, Tiro natural y Tiro balanceado.

Tiro Forzado Se tiene cuando el flujo de gases en la fuente se mantiene a una presión superior a la atmosférica. Esta situación se produce con el uso de un ventilador forzado.

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Tiro Inducido Se tiene este tipo de tiraje cuando el flujo de gases se desplaza bajo la influencia de un decrecimiento progresivo en la presión atmosférica dentro del hogar. Esta operación se produce con el apoyo de un ventilador inducido.

Tiro Natural Es la depresión que se produce en los gases de escape, causada por la variación de densidades entre los gases calientes y el aire ambiente. Lo anterior conlleva a una presión negativa ( depresión) o Tiro natural.

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TIRO BALANCEADO Se tiene esta situación cuando la fuerza con la cual es gas de escape abandona a la fuente, es similar a la fuerza con la cual la fuente aspira el aire primario. Desde el punto de vista físico, el tiro de chimenea es un parámetro de presión pero, físicamente representa una presión negativa, respecto a la presión atmosférica.

Existen

varias ecuaciones propuestas en la literatura para evaluar el tiraje de una chimenea, pero la que mejores resultados entrega, al comparar con valores experimentales, es la propuesta por el autor C. Rumor-G.Strohmenger en su texto sobre Calefacción, Ventilación, Acondicionamiento e Instalaciones Sanitarias , y que se reporta a continuación:

La altura

h =

Tiraje * densidad (liq.manom.) 1 1 46,4 * Pb * ( − ) Ta Tg

h ( metros ) : representa la altura del ducto que evacua los gases

densidad del líquido manométrico : se refiere a la densidad del agua a la temperatura de ρ = 980 (Kg/m3)

El factor 46,4 : es el parámetro que hace dimensionalmente compatible la identidad

Ta y Tg : las temperaturas absolutas del aire y de los gases escape ( ºK) respectivamente.

Tiraje : se deberá expresar en centímetros de columna de agua.

Pb : presión barométrica en mm.Hg

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promedio (Ta y Tg) en(kg/m3). Así, para un promedio de 67 ºC, la densidad del agua es

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Recordemos que :

1cm.c.a. = 10 mm.c.a. 1mm.c.a. = 10 Pa

En todo caso, para determinar el Tiraje en la chimenea , se requiere conocer previamente la altura del ducto pero como no tenemos los datos suficientes, recurriremos al balance de calor y a través de éste parámetro podremos evaluar la altura del ducto.

La placa nos informa que la potencia calórica promedio del calefon es de 22KW Por lo tanto podemos estimar el consumo horario:

1Mcal 1000kcal 1m3cb 1,8 Kgcb Kgcb h 22 Kw · · · · = 1,767 3 1Mcal 22.400 Kcal 1m cb h 1,16 Kw Con el GRh visto anteriormente ( = 23,78 m3 ge/kgcb) podemos conocer el Caudal Normalizado de los gases de escape, sabiendo que el área del collarín es de 9,5·10 -3 ( m2), es decir, 11 cm de diámetro.

m3 geN = 41,85 , h

pero este caudal está Normalizado y lo

necesitamos como medido :

P1Q1 P 2Q 2 0,942·*Q1 1 * 41,85 = , reemplazando : = T1 T2 423,16 298,16

m3 ge Q1(como medido) = 63 h

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m3 geN kgcb 23,78 · 1,767 Kgcb h

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Q1 = vg * Area collarín

Vg =

63 m 1h m = 6637,5 * = 1,84 h 3600 s s 0,0095

Ahora que conocemos la velocidad podemos calcular el α :Coeficiente de transferencia de calor ( RUMOR, texto, p 118) α = 2 + 10 v = 2 + 10* 1,84 = 15,58

kcal m 2· h º C

Area transferencia = 2 · π· ·r·h = 2 ·π ·(5,5/100)·h = 0,3455· h ( m2) El calor que se pierde a lo largo del ducto será :

-q = 15,58 · 0,3455·h·135 = 726,6 *h

Kcal hr

El calor que llevan los gases de escape ( Asumiendo como N 2) es de Q (transportan los gases) = 0,314*tge (

0,314 * 150 = 47,1

kcal ) m geº C 3

Kcal m3 ge , como conocemos el caudal medido = 63 m3 ge h

47,1

Por lo tanto, igualando ambos flujos podemos evaluar la altura máxima que debería tener el ducto y que provocaría el estancamiento de los gases.

726,6 *h

Kcal Kcal = 2967 h h

h = 4,0 m

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Kcal m3 ge Kcal *63 = 2967 3 m ge h h

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La altura

h =

Tiraje * densidad (liq.manom.) 1 1 46,4 * Pb * ( − ) Ta Tg T * 980

4 = 46,4 * 716(

Kg m3

1 1 − ) 423,16 288,16

T = -0,15 cm.c.a. =- 1,5 mm.c.a.=-15 Pa Otra ecuación conocida como ecuación de recurrencia, nos permite estimar también el tiraje T = - h * ( ρa − ρgases) en mm.c.a.

T = -4 *(1,15-0,764)= 1,544 mm.c.a. T = -1,544 mm.c.a. ·

10 Pa = -15,44 Pa 1mm.c.a.

Este valor es perfectamente comparable al obtenido por la ecuación RUMOR. La normativa establece que , para un calefon que descarga sus gases a un shaft, la altura mínima del ducto secundario sea de

1 m. ¿Cuál sería el tiraje si se mantienen las

condiciones del problema anterior? T = - h * ( ρa − ρgases) ( en mm.c.a.) T = -1 * (1,15 − 0,764) = - 0,386 mm.c.a. T = - 0,386 mm.c.a. = - 3,86 Pa Valor que satisface a la Resolución 768. Art.4.1, que establece que un buen funcionamiento del shaft debe tener un tiraje ≥ - 2 Pa. Por otra parte, también se puede hacer una estimación acerca de la velocidad de los humos ( gases de escape), mediante la ecuación :

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entregada por propuesta por RUMOR

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Ahora que conocemos la altura, podemos calcular el tiraje de acuerdo a la ecuación

V = 0,27 ·k· h(th − ta )

(m/s)

El parámetro k es un factor de corrección por roce. Así, para latón es 0,6 y para concreto y ladrillo es de 0,45.

Si aplicamos esta ecuación al problema anterior, podemos predecir aproximadamente la temperatura de los humos V = 0,27 ·k· h(th − ta )

(m/s)

V = 0,27 *0,6 * 1 * (150 − 15) V = 1,8 (m/s)

Habíamos

calculado

anteriormente 1,8 (m/s). Lo importante es comprender que éstos

valores son muy variables en un sistema real donde hay roce, pérdida calórica, donde hay carencia de verticalidad de los ductos, tipo de materiales diferentes, combustiones de calefones deficientes, ( alejadas

de lo teórico), infiltraciones de aires parásitos que nos

cambian las condiciones del gas de escape, etc, etc.

De la ecuación de continuidad ( balance de masa) podemos calcular el consumo de combustible, y le llamaremos Consumo Calculado ( CC ):

QN Vesp

QN = Se refiere al caudal de los humos en base saca y referidos a 25ºC y 1 Atm Vesp = Se refiere al volumen real de los gases de escape, en base seca, y también referido a 25ºC 1 atm.

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CC =

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Lo que representa el consumo másico de combustible de la fuente problema. Al conocer la densidad del combustible, podemos evaluar el consumo volumétrico.

En el caudal que estamos considerando Qn, se refiere al caudal de los gases de escape referidos a 25ºC y 1 atm, pero debemos corregirlo por Aire en Exceso. Es decir, sabemos que de acuerdo al D.S. 322 de 1993, se fijaron para todas las combustiones, el porcentaje máximo de aire en exceso permitido. El factor de corrección del caudal será : Recordemos que λ = 1,69. Por lo tanto, el %AE medido = ( λ -1)*100 = (1,69-1)*100 = 69% -El exceso de aire máximo permitido por D.S 322 = 5 %

Fc =

100 + % AEmedido 100 + 69 = = 1,6 100 + % AE máx . permitid 100 + 5

QNC =

QN 41,85 m3 NC = = 26,15 Fc 1,6 h

Vesp = 21,5 CC = CC = 1,2

m3 N kgcb

26,15 kgcb = 1,2 h 21,5

kgcb 1m3cb m3cb * = 0,67 h 1,8kgcb h

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m3 Nge kgcb QN CC = = 3h = m Nge Vesp h kgcb

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Si hacemos un análisis dimensional de ésta ecuación:

El valor nominal nos informa :

1Mcal 1000kcal 1m3cb m3cb h · · 22 Kw · =0,846 1Mcal 22.400 Kcal h 1,16 Kw

La Normativa establece que las mediciones deben ser realizadas a Plena Carga o diferir de ella en un 20% como máximo. Es decir, ser coherente en un 80%. Plena Carga =

0,67 * 100 = 80% 0,846

Por lo tanto se satisface la Normativa.

Todas estas combustiones de calefones, cocinas, estufas etc. que se realizan directamente al aire y sin que exista -de por medio- un ventilador forzado o un ventilador inducido, se les denomina combustiones atmosféricas. Por lo tanto son combustiones que se realizan con un gran exceso de aire y sus emisiones salen diluidas. Lo anterior conlleva a suponer que la carga de contaminantes que se emiten es baja, sin embargo, cuando se les mide en masa, generalmente los valores obtenidos sobrepasan la normativa. Esto conllevó a que el SESMA corrigiera las emisiones proveniente de éste tipo de fuentes y para ello fijó por decreto ( D.S. 322 de 1993 ) los excesos de aire máximos permitidos para todos los combustibles. Sin embargo, y de acuerdo con nuestro interés, todos los gases combustibles se les acepta por norma y decreto un 5 % de aire en exceso. Si la fuente supera éste valor, sus resultados de emisiones, deberán ser corregidos por aire en exceso de acuerdo a la siguiente ecuación: 100 + % AEmedido 100 + % AE máx . permitid

Recordemos que λ = 1,484 % AE medido = 100 ·( λ -1) = 100 · (1,484-1) = 48,4 %

Por lo tanto podemos calcular el CO corregido, correspondiente a la emisión de CO a nivel del hogar, es decir el que realmente se produce:

Fc =

100 + 48,4 = 1,41 100 + 5

CO corregido = Fc · CO medido CO corregido = 1,41 · 14 ppm = 19,74 ppm.

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Fc =

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Recordemos que la Normativa establece que el sello que deberá tener el calefon es función del CO corregido Si el CO corregido está comprendido entre 1.2.3.-

0 y 400 ppm ………….Aceptable ( sello verde ) 401 y 1000 ppm ………. Reparación ( sello amarillo ) Superior a 1000 ……. Rechazado ( sello rojo)

Con relación al total de combustible quemado por el artefacto, no todo se transforma en energía útil, siempre hay un porcentaje que se pierde como energía no utilizada, ya que se trata de procesos reales y no ideales. Si el consumo calculado fue de: 0,67

m3cb h

Potencia Total Generada será: m3cb Kcal · 22400 3 = 15008 (Kcal/h) PTG = 0,67 h m cb Si esta cantidad de (Kcal/h) se transformara totalmente en energía útil, el rendimiento sería del 100%. Sin embargo, cada componente de los gases de escape ( CO2, NOx, CO, SO2, H2O(v), N2 y O2) saca calor sensible Cp·dT, que aportó el combustible, para ser botado en el ambiente. Este análisis conlleva a conocer el rendimiento del proceso. La siguiente tabla nos informa del calor sensible (Kcal/m3) a diferentes temperaturas que sacan los componentes de los gases de escape.

Temperatura N2 O2 H2O CO2 SO2

Como el N2 es el gas que mayoritariamente se presenta, se podría considerar que es el único responsable del calor perdido. Por lo tanto, el balance lo realizaremos sólo como N2. Al respecto tenemos de la tabla anterior los siguientes valores : Temperatura/ºC Cp(Kcal/m3)

= =

0 0

100 32

200 62

300 94

400 126

Si graficamos Cp vs. tºC obtenemos la siguiente ecuación :

Cp(kcal/m3) = 0,314 · tºgases ºC

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CALORES SENSIBLES (Kcal/m3) 300ºC 400ºC 100ºC 200ºC 32 62 94 126 31 64 97 132 35 72 110 149 42 86 134 184 45 93 143 194

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El calor transportado por los gases de escape es : Kcal = 0,314 · 150 = 47,1 m3ge Pero se conoce en caudal de los gases de escape ( como medido) : 63 47,1

m3 ge , entonces : h

m3 ge kcal Kcal *63 = 2967,3 m3ge h h

Esto es como calor no aprovechado. El consumo de combustible es de 0,67 (m3cb/h), por lo tanto : 0,67

% calor perdido por los gases =: % calor aprovechado

m3cb 22400kcal Kcal * = 15008 h m3cb h 2964 * 100 = 19,7% 17472 80,2%

Esto es lo que reporta el equipo TESTO – 300 XL como rendimiento, es decir, el calor aprovechado o transferido al cuerpo de agua del calefón.

CALIDAD DE UNA COMBUSTION La calidad de una combustión se determina por el porcentaje de CO2 desprendido durante el proceso. Sabiendo que las condiciones de borde son:

b.- La otra condición de borde será el valor cero, lo que significaría una combustión nula, (no hay combustión). El porcentaje de CO2 máximo que tienen los humos, podrá ser medido en base seca o en base húmeda 0,2445 * ( C/12 ) * 100 (m3NCO 2 /KgCb) % CO 2 máx.T (b.seca) = GES ( m3N CO 2 / KgCb )

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a.- La combustión perfecta o ideal, donde el CO 2 desprendido (en masa) será el CO2 máximo teórico, lo cual vendrá caracterizado para cada combustible de acuerdo a su composición centesimal y para un λ = 1

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% CO 2 máx.T (b.húmeda) =

0,2445 * ( C/12 ) * 100 (m3N CO 2 /KgCb) GEH ( m3N CO 2 / KgCb )

En todos los casos en que se mencione la palabra teórico significa que el λ = 1

Si el cálculo está referido a las condiciones reales, lo que significa λ > 1, se tendrá el % CO2 máximo real, el que puede ser en base seca y húmeda respectivamente. Problema : Determine los porcentajes de CO2 máx.T y CO2 máx.R en base seca y húmeda respectivamente, para la combustión de 1 kg. Gas Natural, si los gases de escape acusaron la presencia de 10 % O2. Considere que la composición centesimal del combustible es de C = 76%; H = 23,2 %; O = 0,0 %; N = 0,8 % y S = 0,02 % A tórico

m3 N = 14,19 Kgcb

m3 N GEh = 15,6 Kgcb GEs

m3 N = 12,77 Kgcb

m3 N GRh = 28,51 Kgcb GRs

= 25,67

Los porcentajes de CO2 máximo teóricos serán: 0,2445 * ( % CO2 máx.T. (b.s.) = 100 *

12,77 0,2445 * (

% CO2 máx.T. (b.h ) = 100 *

15,6

76 ) 12 = 12,12 %

76 ) 12 = 9,93 %

Para los gases reales debemos calcular la relación de aire

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m3 N Kgcb

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λ = 21 / ( 21-O2 medido ) = 21 / ( 21-10 ) = 1,90

% CO2 máx.R ( bs ) = % CO2 máx.R ( bh) =

%CO2 m.t(b.h.)/ λ = 12,12/ 1,9 = 6,37 % % CO2 mt(b.s.)/ λ = 9,93 / 1,9 = 5,22 %

¿ Qué relación existe entre CO2 máx.T / CO2 máx.R ? De acuerdo a lo calculado en el problema anterior podemos hacer el cuociente: ( CO2 máx.T / CO2 máx.R ) = 12,12 / 6,37= 1,9 = λ

CO2máx.T =

λ · CO2 máx.R

Por lo tanto, existirán dos tipos de rendimiento que ocupan al CO 2 en su definición. Al respecto tenemos: CO2 máx.T = es el valor del CO2 máximo obtenido al quemar estequiométricamente el combustible, es decir, sin exceso de aire. CO2 máx.R = es el valor del CO2 máximo obtenido al quemar el combustible con aire en exceso, es decir, con Aire real, tal como ocurre en los procesos industriales. CO2 med. = es el % CO2 medido en el puerto de muestreo a las condiciones de operación de la fuente.

ηc =

Rendimiento de quemado = ηq =

100 * CO 2 med.

CO 2 máx.R ( λ > 1)

Si hacemos el cuociente entre ellos tendremos:

Rendimient o de combustión = Rendimient o de quemado

CO máx.R ηc 1 2 = = ηq CO máx.T λ 2

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100 * CO med. 2 CO 2 máx.T ( λ = 1)

Rendimiento de la combustión =

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ηq = ηc * λ

LA RELACIÓN AIRE / COMBUSTIBLE (RAC) Todos los combustibles necesitan satisfacer una cierta RAC para ser quemados. RAC = masa de aire/masa de combustible RAC = Aest * ρ aire siendo ρ aire (25ºC, 1atm) = 1,18 (Kg aire/m3aire)N La siguiente tabla muestra la RAC ideal para los diferentes combustibles: TIPO DE COMBUSTIBLE G.L.P

RAC 15,74

Gas Ciudad

Gas Natural

F.O.6

F.O.5

F.O.2

leña Carbón kerosene Bitum.

5,78

16,69

13,58

14,01

14,35 5,20

9,85

14,48

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PODER CALORÍFICO DE COMBUSTIBLES Se define Poder Calorífico como : Es el calor obtenido por la combustión estequiométrica de un Kg de combustible, cuando los productos de la combustión son enfriados hasta la temperatura ambiente. Se expresa en (Kcal/Kg Cb) ¿Qué es la Kcal? Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en 1ºC la temperatura de 1 Kg.de H 2 O destilada. 1Kcal. = 427 Kgm =

4 B.T.U.

Equivalente mecánico : 1cal = 4,18Joules 1Kcal = 4,18 KJoules ¿Cómo transforma 1Kw en Kcal/h ? Respuesta : Mcal h 1 Kw * 1,16 Kw

103 Kcal 1Mcal

Poder Calorífico Superior:(P.C.S.) Es el calor transportado por los gases, productos de la combustión, cuando el agua queda en forma líquida. Poder Calorífico Inferior: (P.C.I.) Es el calor transportado por los gases, productos de la combustión, cuando el agua queda en forma de vapor.

H2O(vap) - 68,3 (Kcal/mol)



H2O(liq) - 57,8 (Kcal/mol)

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Por lo tanto hay un equilibrio entre H2O (liq.) y H2O (vap.) expresado por la ecuación siguiente:

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CAÑERÍAS TIPO K Diametro nominal Diametro nominal Espesor de pared pulgadas milímetros milímetros ¼ 9,53 0,89 3/8 12,70 1,24 ½ 15,88 1,24 ¾ 22,23 1,65 1 28,58 1,65 1¼ 34,93 1,65 1½ 41,28 1,83 2 53,98 2,11 2½ 66,68 2,41 3 79,38 2,77 4 104,78 3,40 5 130,18 4,06

Presión máxima Atm lb/pulg2 85 1212 89 1272 70 1000 67 948 51 727 41 589 39 552 34 484 31 447 30 431 28 400 27 384

Alejandro Riquelme Saldaña

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Las cañerías de Cobre ( Cu ), usadas en instalaciones de gas, se suministran al mercado clasificadas como del tipo “ L “ y tipo “ K “ . Las cañerías del tipo “L“, tienen paredes más delgadas y se usan fundamentalmente en instalaciones de baja presión ( interiores de viviendas) Las cañerías del tipo “K“, se caracterizan por tener paredes más gruesas y soportar una mayor presión. CAÑERÍAS TIPO L Diametro nominal Diametro nominal Espesor de pared Presión máxima pulgadas milímetros milímetros Atm lb/pulg2 ¼ 9,53 0,76 72 1023 3/8 12,70 0,89 63 891 ½ 15,88 1,02 57 813 ¾ 22,23 1,14 45 642 1 28,58 1,27 39 553 1¼ 34,93 1,40 35 497 1½ 41,28 1,52 32 456 2 53,98 1,78 29 407 2½ 66,68 2,03 26 375 3 79,38 2,29 25 355 4 104,78 2,79 23 327 5 130,18 3,18 21 299

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CAÑERÍAS DE COBRE EN INSTALACIONES DE GAS

SOLDADURAS BLANDAS (O POR CAPILARIDAD)

Este término se aplica a un grupo de aleaciones que tienen un punto de fusión inferior a 450 ºC, y se usan en instalaciones de baja presión. Durante largo tiempo se usó la soldadura blanda con plomo, pero las autoridades de Salud del Ambiente recomendaron no usarla más, y sustituirla por otras aleaciones. Así :

Aleación Sn – Sb Sn – Ag

Rango Temperatura / ºC 232 – 240 221 – 280

Todas las soldaduras blandas deberán ser aplicadas con fundente, que tiene por objeto distribuir homogéneamente la soldadura fundida entre las piezas a soldar y evitar la oxidación de estas. La composición del fundente es: Pez de Castilla, NH 4Cl, ZnCl2, Borax y Agente Humectante.

INSTALACIONES DE CAÑERÍAS El inicio de la red interior de Cu está determinado por la ubicación del medidor de gas lo que corresponde al punto de inicio de la instalación y, deberá cumplir con los siguientes requisitos: 1.- La línea de consumo debe ser instalada en lugares de fácil acceso, para poder realizar en ella revisiones y reparaciones

3.- La red de Cu no se debe interferir con las de agua potable y/o alcantarillado. 4.-La red de Cu deberá estar separada, a lo menos en 60 cm de la red eléctrica. 5.- En el interior de la vivienda, la red de gas no podrá cruzar dormitorios, baños, sala de duchas, ni tampoco ubicarse por el entretechos. Por lo tanto, deberá pasar por pasillos hasta llegar a baño y cocina. 6.- En conjuntos habitacionales, cada instalación debe ser colocada exclusivamente en la propiedad de cada usuario, y en los edificios las cañerías deberán desplazarse por pasillos y escalas.

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2.- El recorrido de la línea entre el medidor de gas y el artefacto, debe ser lo más corta posible, para evitar la pérdida de carga.

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7.- Las cañerías exteriores de la red se deberán instalarse bajo tierra y a una profundidad entre 0,5 y 0,6 m en una zanja de 0,4 m de ancho. Su fondo debe ser plano y siguiendo la pendiente de la línea de gas. La cañería se asienta sobre una capa de material fino sin piedras ni residuos sólidos que constituyan un riesgo para ella, posteriormente se cubre con el mismo material pero apisonado. De esta manera queda asegurada la ceñería y en condiciones de recibir la segunda capa de material. Para media presión ( bajo tierra) : Símbolo :

Para baja presión ( bajo tierra) : Símbolo : ++++++++++++++++

8.- Si la instalación se realiza en una construcción, entonces :

a.- En el primer piso, la ceñería deberá ser colocada bajo el radier. b.- Si la instalación es para un piso en particular, entonces esta deberá quedar sobre losa y pasar, de preferencia, por la intersección entre muro y piso, quedando protegida por ambos lados. c.- Cuando la instalación es entre losas, como en los edificios de varios pisos, la cañería de cobre se coloca embutida en la losa, antes de la faena del hormigón. Símbolo : d.- Si la instalación es “a la vista” se colocará la cañería afianzada al muro con sus correspondientes abrazaderas. Símbolo : E.- Si la instalación es embutida en muro de hormigón armado, las cañerías deberán ser colocadas antes de la faena del hormigón.

F.- Si la instalación es embutida en muro de albañilería, podrá colocarse bajo el estuco G.- Una instalación se podrá ubicar en el entretecho, si ésta se realiza en el último piso y que corresponda sólo a la techumbre del morador y no a la del vecino. Símbolo :

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Símbolo :

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Los sifones de Cu son elementos instalados en los puntos bajos o en los quiebres de la red, la longitud mínima de ellos debe ser de 30 cm y con tapón desmontable, el que puede ser del tipo tapa gorro o tapa tornillo. Su objetivo es recibir los residuos del gas y la humedad, además puede cumplir el rol de “registro”, es decir, la posición donde se pueda colocar un manómetro para efectuar una prueba de hermeticidad de la lí También se tienen los sifones subterraneos, los que se instalan en una cámara. En el piso de la cámara es recomendable deja una capa de material absorbente que actúe como drenaje. La profundidad no debe ser mayor que 80 cm. El sifón aéreo son aquellos que están siempre a la vista, sobre la cota de piso, o bajo el cielo

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SIFONES Y CÁMARAS

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56 La cañería de Cu bajo tierra se representa por el Símbolo : (+++++++++), y la instalación entrelosas se representa por el Símbolo : ( _ .. _ .. _.. _ ) y sobrelosas el Símbolo es una línea contínua ( ________ )

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De acuerdo a lo establecido en la Normativa de la SEC acerca de la seguridad para las cañerías de gas enterradas son :

1.- 50 cm para instalaciones interiores 2.- 60 cm para redes de distribución de gas licuado en baja y media presión. 3.- 80 cm para redes de baja o media presión que atraviesen calles pavimentadas.

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Control y Normativa de Gas en Media y Baja Presión - Profesores: Hernán Soto Nilo Además de la profundidad, se deberán proteger con mezcla pobre y ladrillos, principalmente aquellas líneas que atraviesan jardines. Por un entretecho sólo se permite la instalación de gas de ciudad o gas natural ajustadas a ciertas condiciones, pero queda estrictamente prohibida la instalación de GLP. Del mismo modo, la Normativa de Instalaciones prohibe destinar una instalación proyectada y aprobada para gas de ciudad o gas natural, que sea usada con GLP ¿ Por qué? discuta las respuestas.

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La instalación en baja presión corresponde a la red de gas que se interna hacia los interiores de casas o departamentos. Esta red debe ser sometida, con cierta periodicidad, a la prueba de hermeticidad ( pH ) para asegurar que los moradores no corran riesgos. a.- Para instalaciones de GLP con cilindros de 45 Kg, la pH debe ser realizada en la Tee de prueba, ubicada en el bastón del equipo. Esta prueba puede ser realizada con aire, cuando la instalación es nueva, es decir, no ha sido nunca gasificada y, para edificios ya gasificados, la normativa recomienda efectuar la pH con el propio gas de la red.

El equipo de medición lo denominaremos en jerga como pHímetro y deberá ser fabricado por cada participante del curso ya que será usado en las clases posteriores. Las características de él se reportan a continuación :

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Se require que el pHimetro contenga además una llave de corte como se muestra en la figura, la que puede ser colocada a al entrada y una segunda a la salida, para comprobar inicialmente la hermeticidad del propio instrumento.

LA PRUEBA DE HERMETICIDAD Corresponde a la inspección de todo el sistema de tubería que forma parte de la Red de Media y Baja Presión. La prueba de hermeticidad se puede realizar con Aire o con Gas Con Aire : Para instalaciones nuevas que no han sido nunca gasificada. Con Gas : Para instalaciones ya servidas o instalaciones que han interconvertidas.

sido

REGULADOR DE 1ª ETAPA : Es el que recibe la presión de gas de la matríz de la calle. El gas en la calle , tiene una presión de 4 Bar ( 4 Atm.) El regulador de primera etapa reduce ésta presión de 4 Bar a 1 ó 2 Bar, que es la presión a la cual se mueve el gas en la línea de media presión.

TIPO DE GAS

PRESIÓN SERVICIO

mm.c.a.

KPa

Gas de Ciudad

135

1,35

Gas Natural

180

1,80

Gas Licuado Petróleo

270

2,70

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REGULADOR DE 2ª ETAPA: Se encuentran ubicado en los nichos de los medidores en cada piso del edificio. Su función es reducir la presión de la línea de media hasta la presión de servicio usada por los artefactos cocina, calefones, estufas. Así :

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PRUEBA DE HERMETICIDAD EN MEDIA- PRESION CON AIRE

El esquema muestra un diseño simplificado de la RED de MEDIA PRESION en un edificio. a.- Se instala el instrumento de medición, llamado en jerga pHímetro, en uno de los sifones de la línea. Este instrumento está equipado con un manómetro de Burdon de sensibilidad 0,1 Bar. El extremo opuesto tiene una llave de corte y una unión del tipo roscatornillo, la que permite conectarse a un compresor de aire.

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Es la que se inicia en la cámara de registro, es decir, donde está la llave de corte general. Esta red cubre hasta las verticales, sin alcanzar a los reguladores de 2ª etapa que se encuentran en los nichos de medidores del edificio.

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RED DE MEDIA PRESIÓN

b.- Se procede a cerrar todas las llaves de paso de los reguladores de 2ª etapa para evitar el ingreso de aire hacia los departamentos. c.- Se cierra la llave principal en la cámara de registro y se procede a ingrasar aire a la red de media presión haciendo uso del compresor. d.- Cuando el manómetro de Burdon indique 3 Bar ( 45 psig) es decir 3 veces la presión entragada por el regulador de 1ª etapa, entonces se procede a cerrar la llave de corte del pHímetro y se separa el compresor de aire.

La prueba se considerará estanca cuando no acuse pérdida de aire durante un tiempo mínimo de 10 minutos.

e.- Al término de la prueba se deberá evacuar el aire de la línea por pulsos. Será necesario retirar a todo el personal de los alrededores y el operador que efectúe la maniobra deberá estar equipado con todos los implementos de seguridad, ya que probablemente el proceso implique la salida de esquirlas de soldadura o restos metálicos que salen igual que balas. PRUEBA DE HERMETICIDAD EN MEDIA- PRESION CON GAS

A.- Se procede a cortar el gas en la cámara de registro y a cerrar las llaves de paso en los reguladores de 2ª etapa.

C.- Se tiene la certeza de que ya no hay gas en la línea, por lo tanto, se abre uno de los sifón y se conecta el pHímetro. D.- Se procede a dar el gas desde la cámara de registro. El pHímetro marcará la presión de la Línea de Media. Se corta nuevamente el gas desde la cámara de registro, entonces la presión deberá permanecer cte por un período de 10 min.

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B.- El gas contenido en la línea debe ser quemado, evitando hacerlo en un lugar confinado.De preferencia se puede hacer en el techo del edificio o bien en el último departamento, encendiendo cocina y calefón, hasta que la llama se apague por si sola. En este instante se procede a cerrar la llave de paso del regulador de 2ª etapa de ese departamento.

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PRUEBA DE HERMETICIDAD EN BAJA PRESIÓN

Esta prueba se inicia en el regulador de 2ª etapa y se extiende a todos los artefactos dentro de cada departamento. La prueba puede ser realizada con aire o con gas.

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La red será estanca si la pérdida de gas durante los 10 min de prueba es cero.

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63 E.- Cumplido el objetivo, se debe quemar el gas de la línea y cuando la llama se apague por sí misma, se procede a retirar el pHímetro y a colocar en su posición el tapa-gorro o tapatornillo, y se vuelve a gasificar el edificio. Es necesario entonces quemar gas, hasta que se logre una llama constante, lo que significa que todo el aire que pudo haber entrado cuando se sacó el pHímetro, ha sido evacuado. Posteriormente se dan las llaves de paso de todos los reguladores de 2ª etapa.

a.- La prueba se realiza con una presión de aire comprendida entre 15 y 20 Kpa, y por un tiempo de 10 minutos , como mínimo. b.- Se abren las llaves de paso de los artefactos y se mantienen cerradas las llaves de servicio ( las que regulan las llamas altas y bajas respectivamente). c.- Se conecta el pHímetro a la línea principal y, por el extremo opuesto se conecta la bomba neumática. Se eleva la presión, hasta el valor establecido, por ejemplo, hasta 17 Kpa, se esperan 2 minutos que el sistema termalice. Si el sistema quedó bajo la presión preestablecida, se deberá adicionar más aire. Pero, si la presión fue superior, deberá purgar aire de la línea hasta el valor establecido, haciendo uso de una llave de ajuste fino, por ejemplo, la llave de control de un quemador de la cocina.

CRITERIO DE ACEPTACIÓN: La pérdida máxima permitida será de 7 mm.c.a. durante los 2 primeros minutos de la prueba.

PRUEBA DE HERMETICIDAD CON GAS PROCEDIMIENTO Esta prueba se realiza con el propio gas de la línea y a la presión de servicio. a.- Se corta el gas desde el medidor. b.- Se quema el gas residual en la cocina. Se saca el flexible de la cocina y se intercala el pHímetro, comprobando que no queden fugas. c.- Se abren las llaves de corte ( o llaves de paso ) y se mantienen cerradas las llaves de servicio manteniendo presurizada la línea por 10 min. La pérdida máxima aceptada será de 7 mm.c.a. durante los dos primeros minutos de la prueba.

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PROCEDIMIENTO

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PRUEBA DE HERMETICIDAD CON AIRE

PRESIÓN DE DISTRIBUCIÓN Es la presión del gas en un determinado lugar de consumo, por ejemplo, la casa. Por lo tanto, es necesario recordar que al circular un fluído por una cañería, éste pierde presión, esto se conoce como pérdida de carga. Se concluye entonces 2 cosas : a.- La presión de gas que está llegando al artefacto es inferior a la presión de servicio ( es decir la presión indicada en la placa del artefacto) b.- Mientras más largo sea el recorrido del fluído en la cañería, mayor será la pérdida de carga.

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e.- Es importante hacer notar que la prueba también puede ser realizada en otra derivación de la línea, por ejemplo, en el living del departamento donde se conecta la estufa de gas.

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65 d.- Cumplida la operatoria, se corta el gas desde el medidor, se quema el residual en la cocina, se retira el pHímetro, y se conecta el flexible de la cocina nuevamente a la red, comprobando que no quede fuga de gas.

Es la presión para la cual ha sido diseñado el artefacto. Esta presión de trabajo permite al fabricante diseñar los quemadores.

EL REGULADOR DE PRESIÓN Un regulador de presión (RP) es un dispositivo que, tal como su nombre lo indica, regula la presión del gas combustible, a los valores recomendados por el fabricante del artefacto. ¿Qué sucede si sólo tengo un RP para varios artefactos? Sabemos que el gas en su recorrido, está sujeto a una pérdida de carga (o caída de presión). Por lo tanto, nuestro objetivo es minimizar ésta pérdida y si tenemos sólo un regulador entonces el recorrido de las cañerías debería ser mínimo para asegurar que el artefacto trabajará con la presión indicada. Lo recomendable sería colocar un Regulador de Presión antes de cada artefacto.

Los reguladores de presión tienen 2 boquillas, una es ingreso de gas (o zona de mayor presión) y la otra es salida de gas a servicio o consumo( o zona de menor presión). Lo general es que siempre el servicio va hacia la salida de mayor diámetro y el ingreso es la de menor diámetro. Pero con el propósito de evitar errores, siempre viene una de las salidas debidamente identificadas.

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PRESIÓN DE TRABAJO

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66 La solución a éste problema sería colocar el artefacto lo más cerca posible del suministro de gas. O bien, colocar antes del ingreso de gas al artefacto, un regulador de presión, para que le entregue al combustible la presión equivalente a la de servicio.

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impedir la manipulación accidental del regulador. Además, esta tapa tiene un orificio llamado la válvula de alivio destinada a evacuar el aire que se acumula por sobre la membrana cuando el regulador trabaja. Si no existiera ésta válvula, la membrana se quedaría adherida al cuerpo superior del regulador, haciendo cambiar las condiciones de operación.

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Está provisto de una torre donde va colocado el resorte que regula la tensión de la membrana el cual, a su vez, está protegido por un tapón roscado para

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Flanje Superior o Tapa :

de apoyo del balancín que permite la regulación propiamente tal del ingreso de gas a través de una palanca de primera clase como lo señala la figura. El cuerpo del balancín está formado por un eje central destinado a la rotación. Uno de sus extremos contiene la válvula que bloquea el de ingreso de gas y el extremo opuesto engancha - en un aro- con el centro de la membrana, la cual se encuentra presionado en la parte superior por el resorte regulador de la presión, que lleva un tornillo regulador de la compresión. El cuerpo de la membrana en la parte inferior se apoya, a través de su platillo metálico, en 3 pilares evitando su ruptura. El giro del balancín se efectúa sobre un eje de acerado el cual es susceptible de griparse por oxidación y puede llegar a doblarse por efecto de la presión del gas, situación que malograría el uso del regulador ya que puede romper la membrana. Se recomienda revisar la rigidez del eje y lubricarlo con grasa grafitada, cada vez que se realice mantención y limpieza del regulador. (Siga las recomendaciones del ayudante para el armado y desarme del regulador. Se recomienda usar una caja para colocar los pernos y hacer la operación con un desatornillador imantado)

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Contiene los tubos unidireccionales de ingreso y egreso de gas. Además, contiene el punto

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Flanje Inferior :

a.- ¿ Cómo calibra el Regulador de Presión? 1.- Conecte a la salida del regular de presión el pHímetro como lo indica la figura, y en la entrada de gas conecte la manguera de GLP proveniente de un cilindro. 2.- Abra la llave de corte del pHímetro y permita el ingreso de gas. Para no tirar gas al ambiente se recomienda colocar a la salida del pHímetro un mechero y quemarlo. Posteriormente cruce la llave de corte ( se apago el mechero) y lea la presión del gas en el manómetro. a.- Si ésta es mayor que 270 mm.c.a. quítele tensión al resorte, evacue el gas abriendo y cerrando la llave de corte del pHímetro. b.- Repita la operación anterior hasta lograr la presión predeterminada. Preguntas : ¿Cómo ha calibrado Ud. el R.P. con presión dinámica o estática? ¿ Qué marcará el pHímetro cuando hay consumo de combustible? ¿Cómo comprueba Ud. que la válvula de alivio ha quedado trabajando adecuadamente?

ESTUFAS DOMICILIARIAS Son artefactos destinados a calefaccionar recintos y deberán ser ubicadas en las partes más frías de él , tal como apegadas a una ventana. Con esto se produciría el movimiento del aire y la distribución adecuada del calor en el recinto. Existen una gran variedad de ellas, pero nos interesa fundamentalmente aquellas que usan para su funcionamiento el gas combustible. Dentro de ésta clasificación tenemos las estufas estacionarias o murales y las estufas rodantes. La primera deberán estar ubicadas de preferencia en pasillos y/o living de departamentos o casas. Es decir, donde aseguremos un funcionamiento lo más ventilado posible. La segunda podrá ser ubicada en otros lugares del departamento que no sean salas de baño ni dormitorios, Es decir, podrán ser ubicadas en loggias, cocinas, comedores, pasillos y salas de estar. En general, el lugar físico donde se debe instalar una estufa ( rodante o estacionaria) deberá satisfacer 2 condiciones básicas:

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Una vez que ha realizado la mantención pertinente :

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70 Del mismo modo, se debe realizar la limpieza pertinente del sector de ingreso de gas. Recuerde que todos los gases traen humedad y partículas de polvo que van disminuyendo el diámetro del ducto por efecto de corrosión y depósitos, haciendo cada vez más estrecho el paso de gas. ¡¡ Revise y despeje el ingreso!!

b.- Ventilación efectiva superior e inferior permanente mínimo.

de 150 cm2

c/u como

Estufas estacionarias o murales Trabajan por convección y por radiación. Es decir, en la zona del quemador, donde se produce la combustión, el aire que está en contacto con la llama, disminuye en su densidad y asciende , una nueva masa de aire más densa y más fría, ocupa el espacio dejado por la anterior; formándose de esta manera , las corrientes conveccionales ascendentes y descendentes. El aire caliente ascenderá hasta el punto donde homologue densidad con el aire ambiente. Por otra parte, el calor generado en el frete de llama se transfiere además a la parte metálica de la zona que rodea al quemador, el que generalmente es de una latón acerado brillante y que conforman al cuerpo de la estufa. Estas últimas, disipan el calor al ambiente por radiación. Por lo tanto todas las estufas funcionan por estos dos principios básicos: convección y por radiación. El mantenimiento de estos equipos puede ser clasificado como parcial o total. El primero se refiere sólo a la limpieza y ajuste de la zona de combustión, la que comprende : 1.- Llave de 3 pasos : correspondiente a piloto de encendido, llama alta y llama baja respectivamente. Se recomienda en general no desarmar la llave, sólo debe ser lavada en solvente adecuado ( parafina, diluyente, bencina o en eter de petróleo) con el propósito de sacar todo el bitumen proveniente del gas. Posteriormente deberá ser secada ( con aire comprimido preferentemente) y luego lubricada con aceite muy fino ( máquina de cocer) o simplemente con WD-40. Estas llaves son de larga duración ya que solamente son usadas por rotación sin que soporten grandes presiones y, cuando se malogran es preferible cambiarlas 2.- Quemadores : los que generalmente están ubicados en un puente, que tiene la forma de caballete, para canalizar la mezcla combustible hasta la base del quemador. El encendido se realiza en la cabeza del inyector apoyado por el aire secundario que rodea externamente al conjunto de orificios. Esta zona debe ser adecuadamente mantenida y para ello es recomendable hacerlo o con aire comprimido o por lavados con diluyente ya que, si se pretende introducir una aguja , punzón o una lija para limpiar el bitumen o incrustación, se desformarían los orificio y la quema del combustible sería irregular ya que no se tendría la misma RAC y la estufa desprendería olor a gas.

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Mcal fs ≤ 0,27 h2 m

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a.- El factor de seguridad.

Siga expresamente las recomendaciones del instructor.

1.- Saque el quemador de la estufa. Inspecciónelo y luego determine si es para gas de ciudad o para gas licuado de petróleo, esto se hace a través del diámetro del orificio o Jet ¿Cree Ud. , que el artefacto se puede interconvertir? Discuta su respuesta. 2.- Conecte el artefacto a la red de gas que predeterminó y a su vez, intercale un medidor de gas entre la estufa y la red. Enciénda el piloto para que termalice, por un periodo de 4 min. 3.- Seleccione una lectura en el medidor y proceda a evaluar el tiempo necesario para combustionar 10 litros de gas. 4.- Haciendo uso de la tabla denominada “ FAMILIA DE GASES” y de los cálculos realizados durante la clase, determine las respuestas para la siguiente tabla :

Problema : 1.- Determine para una sala de 8 m 3 sin ventilaciones, ¿En cuanto tiempo la estufa se consumiría el total de aire ? 2.- Determine el factor de seguridad de la misma, si el recinto donde se encuentra instalada es de 27 m3 3.- Determine el área de las celosías superior e inferior, que debería tener el recinto, suponiendo que la velocidad de ingreso del aire es de 1(m/s).

ESTUFAS

INFRARROJO

Los quemadores están constituidos por placas cerámicas las que emiten radiación IR (Longitud de onda de la radiación : 10-3 cm ·= 100.000 ºA ) . Por lo tanto, este tipo de estufas calienta con gran rapidez los objetos que se encuentran en su cercanía. Además, está provistas de dispositivos de seguridad y encendido por chispa.

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Diseñe la placa informativa de la estufa, esto significa , en jerga : el carnet de identidad de ella.

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LABORATORIO

ESTUFAS DE CONVECCIÓN La cámara de combustión tiene una entrada de aire y otra de gas. Las paredes de la cámara de combustión se calientan, y estas a su vez, calientan el aire ambiente por convección y por radiación. La mayoría de ellas llevan incorporado un dispositivo de seguridad para cortar el flujo de gas cuando se ha apagado el piloto, además un tienen incorporado un sistema de encendido automático para el quemador. La temperatura de calefacción es regulada por un termostato. Este tipo de estufas son apropiadas para grandes locales (de hasta 200 m 3), ya que las potencias nominales oscilan entre 9 y 12 KW según marca y fabricante. Las estufas de convección se clasifican a su vez en estufas del Tipo-B y del Tipo-C. Así, las primeras, toman el aire primario del ambiente donde se encuentran y los gases de escape los botan al exterior. Las segundas toman el aire primario del exterior y los gases de escape los expulsan también al exterior.

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La llama se produce en las proximidades de la cerámica, la que tiene una serie de pequeños orificios por donde circula aire secundario. La temperatura que se genera es muy alta y la placa cerámica se pone color rojo ( radiaciòn IR), y es por donde se emite calor , Es decir, la emisión es por radiación.

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73 Este tipo de estufas además, pueden ser utilizadas en recintos abiertos o en grandes espacios, ya que sólo calientan los cuerpos que se encuentran dentro de la zona radiativa. Estan formadas por un quemador atmosférico.

Las estufas de circuito estanco son las que toman aire del exterior y los gases de escape los botan también al exterior. Las estufas de circuito estanco no enrarecen el aire del recinto donde se encuentran, por lo tanto, de acuerdo con lo especificado por el fabricante, pueden ser instaladas en dormitorios, baños, salas de estar etc., ya que por su sistema no le quitan aire a los moradores. Sin embargo, nuestra normativa es más exigente y prohíbe la instalación de artefactos a gas en recintos tales como dormitorios y baños, ya que estos artefactos poseen llave de gas ( o de corte) y cañería de conducción de gas, las que no deben quedar en el interior de los dormitorios o baños.

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CALEFACCIÓN CENTRALIZADA POR AIRE En este caso, el aire adquiere temperatura en aparatos denominados: generadores de aire caliente, y se les distribuye en forma canalizada hasta los lugares donde se desea calefaccionar. El aire se calienta en forma indirecta, es decir, sin que entre en contacto con los gases de escape. Este aire caliente es mezclado con el aire del recinto. Un esquema simplificado y en corte es el que se muestra en la figura adjunta :

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Cada radiador tiene una entrada y salida de agua. Las salidas se conectan a un único tubo denominado retorno, que devuelve el agua que se ha enfriado a la caldera mural, la que probablemente tiene un tratamiento químico para impedir las incrustaciones, ya que el sistema es por circuito cerrado, como se muestra en el esquema:

Estos dos últimos sistemas de calefacción son los más seguros y los radiadores o los difusores de aire caliente puede ser instalado en dormitorios y baños.

Los inconvenientes asociados a éstos dos últimos sistemas de calefacción son : 1.- El sistema presenta gran inercia térmica, es decir, transcurre mucho tiempo entre encendido de la calefacción y el poder notar su efecto.

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El procedimiento consiste en calentar agua en una caldera mural y conducirla a través de una red de tuberías hacia los lugares que se desean calefaccionar. Este conjunto de tubos se les denomina Radiadores ya que el calor lo entregan al recinto por radiación.

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CALEFACCIÓN CENTRALIZADA POR AGUA CALIENTE

Un artefacto que usa gas, es un dispositivo peligroso, no sólo por la combustión, sino que por el propio gas combustible. Por lo tanto, se hace necesario que los artefactos se encuentren protegidos por elementos de seguridad. La mayoría de ellos actúa cerrando el paso de gas cuando ocurre alguna anomalía. En relación al piloto de encendido, también está clasificado como un pequeño quemador, cuyo encendido se origina mediante una chispa eléctrica originada por un pulsador o proveniente de un fósforo. Básicamente, los dispositivos de seguridad y protección deberán cumplir con los siguientes requerimientos : a.- Asegurar el control del encendido b.- Provocar el paro inmediato en determinadas condiciones peligrosas c.- Provocar el cierre de gas inmediatos cuando se produzca la extinción.

1.- LÁMINAS BIMETÁLICAS Una lámina bimetálica está constituida por 2 láminas de diferente coeficiente de dilatación : Acero-Niquel. De esta forma, cuando se producen variaciones de temperatura, una lámina se dilata más que la otra, pero al estar soldadas, el conjunto se curva

2.- TERMOPARES Son dos hilos metálicos de distinto material, que se encuentran unidos en uno de sus extremos por conexión ( se recomienda no usar soldadura, ya que se metería un 3ª cuerpo).

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DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD

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77 2.- Si se produce alguna avería es necesario levantar el piso, lo cual tiene un costo significativo.

Estos dispositivos tienen la particularidad de interrumpir el paso de gas si la llama piloto se apaga. En la siguiente figura se presenta un esquema del dispositivo

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DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD CON LÁMINAS BIMETÁLICAS

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78 Cuando el extremo unido se somete a una llama se genera un flujo de electrones que origina una diferencia de potencial (ddp). Por lo tanto, con una diferencia de temperatura se origina una ddp., este hecho se aprovecha para accionar una electroválvula que abra o cierre un determinado sistema.

En la primera posición, el sistema se encuentra apagado y la lámina bimetálica no actúa sobre el vástago. Por lo tanto, se encuentra cerrada y no permite el paso de gas. En la segunda posición, el piloto está encendido y la lámina bimetálica se curva, actuando sobre el vástago, abriendo el paso de gas. Si por cualquier motivo se apaga el piloto, se interrumpe nuevamente el paso de gas. Por lo tanto :

El dispositivo de seguridad con lámina bimetálica garantiza el cierre de gas cuando se apaga el piloto

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DISPOSITIVO DE SEGURIDAD CON LÁMINA TERMOPAR

b.- Durante este período de 30 seg, la llama actúa sobre el termopar, generando un flujo de electrones, los cuales llagan hasta un electroimán y atraen al núcleo de fierro dulce que posee el pulsador. En ese instante ya se puede soltar el pulsador y el electroimán mantendrá abierto el paso de gas hacia el servicio.

c.- Esta imagen nos muestra la entrada y salida del gas con el electroimán en servicio. Si por algún motivo, se apaga la llama piloto, antes de 30 segundos el electroimán suelta al núcleo de fierro dulce y se cierra el circuito, emitiendo un ruido característico.

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a.- En la primera imagen, el piloto se encuentra apagado, para encenderlo es necesario apretar el pulsador, con ello permito el paso de gas directo hacia la llama piloto. Se recomienda que el pulsador se mantenga apretado por 30 seg.

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Estos dispositivos traen una lumbrera para el ingreso de aire, que regula la cantidad de aire primario que debe ingresar, en función de la temperatura, ya que según sea la temperatura del ambiente mayor o menor, la densidad del aire será diferente. Esta lumbrera se acciona con una lámina bimetálica, donde se disminuye la sensibilidad del aparato en los primeros minutos de funcionamiento. En el primer cuadro (A) el quipo se encuentra apagado. En el segundo cuadro (B) la llama es normal y, el paso de gas fluye sin problema apoyado por el termopar. En (c), al estar el aire enrarecido por falta de O2, la lumbrera se separa del cuerpo del inyector produciendo un mayor ingreso de aire que permita renovar el déficit de O 2 y, por ende, se produce un desprendimiento de llama y, por lo tanto, ésta ya no toca al termopar, cortando el circuito de gas y apagando el sistema.

TERMOSTATOS El principio de funcionamiento de un termostato también se basa en un termopar. Así, por ejemplo un Horno, como el que se indica en la figura :

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Son dispositivos que alertan sobre la mala calidad del aire de un determinado ambiente, por la falta de O2.

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ANALIZADOR DE ATMÓSFERA

Cuando el horno alcanza una temperatura determinada, se acciona el termostato que actúa sobre la válvula de entrada de gas, cerrando el paso de gas, pero el piloto sigue encendido.

COCINAS La cocina encimera está formada por una placa metálica, con 4 quemadores de llama azúl, cuya potencia está comprendida entre 2000 y 3000 (kcal/h), es decir entre 2,33 y 3,5 kW. El quemador tiene en su parte superior un cabezal provisto de una serie de agujeros, por donde sale la mezcla combustible. La llama está separada por una parrilla del recipiente que se va a calentar. El inyector está calibrado de tal forma que deja pasar la cantidad de gas necesaria para desarrollar la potencia indicada. La entrada de gas se regula en el chiclé de combustible y, la relación RAC se regula con el templador de aire. Ambos reguladores deberán ser calibrados adecuadamente entre los límites de desprendimiento de llama y calado ( o retroceso de llama) del quemador.

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Estas cocinas tienen llama alta y baja respectivamente, y la regulación se hace sólo en una de las posiciones y se ajusta de tal forma que: a.- No quede con desprendimiento ni retroceso de llama. b.- El color de la llama debe ser azul c.- La llama no debe ser envolvente

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d.- Deberá tener estabilidad, frente a la difusión de aire. Control y Normativa de Gas en Media y Baja Presión - Profesores: Hernán Soto Nilo

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El horno de cocinas encimeras posee 2 quemadores, uno superior o grill para el (gratinado) y otro inferior. Los gases de combustión que se producen por ambos quemadores, circulan por el interior de la cámara a través de la doble pared lateral.

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Los hornos tienen la forma de una caja, es decir son cúbicos, y de aproximadamente 50 lts., de capacidad volumétrica, Todos ellos son de doble pared.

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84 La llaves de comando de gas controlan la llama alta y baja respectivamente. Estas llaves están constituidas por 2 agujeros. Cuando el gas pasa sólo por uno de ellos, se tiene la llama baja y, cuando el gas fluye por los 2 agujeros, se tiene la llama alta. Estas llamas deberán ser estables y no tener desprendimiento ni retroceso. La llama baja debe tener una potencia comprendida entre un 20 a un 30% de la Nominal.

Estos gases , producto de la combustión, son evacuados al medioambiente, a través de una respiración ubicada en la parte posterior del horno ( centrada). La conexión de gascombustible debe ser realizada de tal forma que la manguera no quede cruzando el horno frente a la evacuación de gases calientes.

CALEFONES Y TERMOS Están constituidos fundamentalmente por un quemador atmosférico de llama , como se muestra en el esquema

a.- Se debe encender la llama piloto( 1) en primera instancia, posteriormente los quemadores (5).

encargada de encender

b.- La llama piloto dilata al bimetal (2), el cual empuja a la aguja separándola de su asiento (3) y permitiendo el paso de gas a la cámara (11) y desde ahí posteriormente hacia los quemadores (5). c.- Cuando se abre una llave del circuito de agua caliente (como lo indica el esquema en 12), el agua ejerce una presión sobre la membrana en la cámara (7), la cual a su vez, abre

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Funcionamiento :

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En un departamento se tiene un calefon de 22,5 Kw de potencia. a.- ¿De cuántos (L/min) H2O es el calefon? Sabemos que : Qcedido = Q Absorbido

Qcedido

1Mcal 1000 Kcal Kcal h = 22,5 Kw · · = 19.396 1Mcal h 1,16 Kw

Q Absorbido

1Kcal kg H 2O min Kcal · 25ºC · 60 )· = 1500 ·m ( ) min kgH 2O*º C h h

Igualando : 1500 ·m (

Kcal Kcal ) = 19.396 h h

m = 13 (L/min) H2O b.- ¿ Cuál será el consumo en GLP de éste calefon? 19.396

Kcal 1 m3 GLP m3GLP KgGLP · = 0,87 = 1,74 h 22.400 Kcal h h

c.- ¿Què cantidad de aire primario consume este calefon si la RAC es 15 / 1?

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Problema :

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86 la válvula (4), ayudada por el Vénturi (9) el cual transmite la “presión de vacío” a través del capilar (10) el que ayuda a levantar la membrana. d.- El quemador calienta el agua a través de un serpentín (12), el que funcionará constantemente mientras no se cierre el grifo de agua caliente. Cuando se corta el paso de agua, las presiones en (7) y (10) se igualan, bajando el vástago de la válvula (4) y cerrando el paso de gas.

d.- Si el calefon se encuentra en el recinto baño, sin ventilaciones y el volumen de la sala de baño es de 14 m3 ¿En cuanto tiempo el calefon se consumiría el total de aire de la sala? 14 m3·

1h = 0,61 h = 36,7 min. 22,89m3

TERMOS También se les conoce con el nombre de acumuladores. Están constituidos por un depósito de agua que es atravesado por un canal de calentamiento, que funciona como ducto de evacuación de los gases calientes. Con el propósito de aumentar el tiempo de residencia de los gases calientes en el interior del termo, la evacuación se diseña generalmente en espiral. a.- El funcionamiento es controlado por un termostato ubicado en el agua caliente. Este termostato está regulado entre un máximo (95ºC para evitar la ebullición del agua) y un mínimo de temperatura (30ºC)a la que se desea mantener el agua del termo, de tal forma que cuando el agua se enfría mucho, automáticamente acciona la válvula de paso de gas, encendiéndose los quemadores. El funcionamiento terminará automáticamente cuando se alcance una temperatura de máxima previamente determinada. b.- Existe además un cortatiro en la parte superior del termo, el cual también va conectado por un termostato al quemador de gases. De esta forma, cuando los gases de escape salen a muy alta temperatura, lo que significa una mala trasferencia de calor al cuerpo de agua del termo, este se acciona y corta directamente el paso de gas. Esto se mantendrá hasta que los gases no alcancen una temperatura de evacuación adecuada. c.- La llama piloto toma el gas antes del regulador del termostato, por lo tanto permanecerá siempre encendida. d.- Otro sistema de seguridad se encuentra en la parte alte del acumulador, el cual también accionará el paso de gas cuando el acumulador se quede sin agua, esta válvula se acciona por dilatometría . En general, el acumulador es de acero revestido por vitrificado, con ello se reduce totalmente la corrosión, además lleva incorporado un ánodo de sacrificio (Mg), es decir, si hay corrosión, entonces ataca antes al Mg que al acero.

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kgAire m3 Aire m3 Aire 26 · = 22,89 ( ) 1h 1,14 Kg Aire h

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15 Kg aire kgcb kgAire · 1,74 = 26 1kgcb h 1h Si la densidad del aire a 25ºC y 1 atm es de 1,14 (kgAire/m3), entonces tendremos RAC =

El servicio de agua caliente sanitaria tiene prioridad sobre el de calefacción y por lo tanto pueden ser manejados independientemente. Dentro de este esquema también se encuentran los de circuito Estánco, es decir, el aire primario de la combustión y la descarga de los gases de escape, se realizan fuera del recinto donde se encuentran instalados los artefactos.

DISPOSITIVOS DE ENCENDIDO Los sistemas de encendido podrán ser manual o automáticos. El sistema manual, no requiere de ninguna explicación. Sin embargo, los sistemas automáticos los analizaremos a continuación :

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

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CALDERAS MURALES DE GAS

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88 e.- Hay acumuladores con circuito simple de agua recomendados para tramos de recorrido pequeños, pero si los tramos son muy largo, se enfriará el agua durante el recorrido. En este caso se recomienda usar acumuladores con retorno de agua, o bien, en lugares muy fríos (Caletones, La Parva, El Colorado, Valle Nevado etc.) se podrá observar incluso calefones intercalados en el recorrido del agua caliente.

La conexión se realiza mediante un interruptor.

a.- Al accionar el interruptor, el primario del transformador origina un campo magnético, que le induce una corriente continua al secundario. b.- Desde el conjunto de resistencias eléctricas ( para controlar la alta tensión) sale una conexión a una bujía, la que genera un arco eléctrico dirigido al quemador de gas.

CHISPA DE ALTA FRECUENCIA En este caso se producirá un flujo de descarga eléctrico desde la bujía al quemador.

a.- El sistema tiene un diodo rectificador, que permite transformar la corriente alterna en continua. b.- Cuando el pulsador no está accionado, la corriente continua se almacena en el condensador.

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Es la que salta entre una bujía y un quemador. El dispositivo se encuentra conectado a la red 200 V alterna, como se muestra en la figura.

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A.- CHISPA ELÉCTRICA DE ALTA TENSIÓN :

c.- Al accionar el pulsador, el condensador se descarga, provocando una alta tensión en el secundario, produciéndose una chispa continua en la bujía mientras dura la carga del condensador, encendiéndose el quemador de gas.

POR RESISTENCIA ELÉCTRICA Toda resistencia eléctrica genera calor e incandescencia cuando por ella circula una corriente eléctrica. Esta resistencia trabaja con un bajo voltaje aproximadamente 12 V, por lo tanto, si se encuentra conectada a la red de 220V, necesitará un transformador. El encendido se consigue en una forma automática y combinada con el paso de gas. Observemos los esquemas:

b.- Cuando el piloto enciende su llama, energetiza al termopar ( 30 seg.) y el gas puede fluir hacia los servicios. c.- Para detener todo el sistema, se corta el paso de gas.

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Así, al aplicar el pulsador, estamos permitiendo que llegue gas al piloto y a su vez, la resistencia eléctrica se pone incandescente encendiendo la llama del piloto.

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ENCENDIDO PIEZOELECTRICO Cierto tipo de cristales tienen la propiedad de producir energía eléctrica cuando son presionados o golpeados, tal como ocurre con el Cuarzo. Estos cristales son tallados adecuadamente y se les coloca en su extremo láminas de Cu para hacer un buen contacto. La ddp originada se transmite a unos electrodos separados aproximadamente por 3 mm que permite encender el gas.

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VENTILACIONES DE RECINTO El artículo # 39 del D.S.222 establece que para cocinas, hornos, asaderas , deberán tener un volumen mínimo de 5 m3 y satisfacer las siguientes condiciones: Volumen / m3 5 ≤ V < 10 10 ≤ V <16 16 ≤ V

Nº Artefactos permitidos 1 1 2 ó más 1 2 ó más

Ventilación S/I I S/I No necesita I

La ventilación superior, sólo podrá ser eliminada cuando se cuente con una campana extractora de aire conectada directamente con el exterior. Si en la cocina existen calefones o termos, entonces la cocina deberá tener como mínimo 7 m3 con las siguientes ventilaciones : Volumen / m3 7 ≤ V < 10 10 ≤ V <20 20 ≤ V

Nº Artefactos permitidos 1 1 2 ó más 1 2 ó más

Ventilación S/I I S/I No necesita I

El art.42 del D.S.222, establece que los requisitos de las ventilaciones superiores, inferiores y Directas son :

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CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LAS VENTILACIONES Art. 42 D.S. 222

SUPERIOR

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a.- Ubicación de la descarga La salida de ésta ventilación deberá quedar ubicada bajo la descarga de un shaft y retirada 60 cm hacia abajo y por 30 cm del ducto. Si la salida coincide con la descarga de un artefacto tipo C, deberá quedar a una distancia superior en 30 cm de dicha descarga. b.- Propiedades de ésta ventilación 1.- Se usa para la salida del aire viciado 2.- Se ubicará a una distancia de 1,8m desde el piso 2 3.- La sección libre debe ser de 150 cm 4.- Deberá ser directa, es decir al exterior: - A través de pared - Por entretecho ( doble conducto) - Por conducto colectivo exclusivo para éste propósito. Es decir que sirva para varias unidades del edificio

INFERIOR

a.- Ubicación de la ventilación Deberá ser ubicada a una altura máxima de 30 cm desde el piso y sin que signifique molestia para los moradores , por lo tanto se recomienda ubicarla en las puertas de acceso. b.- Propiedades de esta ventilación 1.- Se utiliza para proporcionar el aire primario a los artefactos 2 2.- La sección libre de ingreso de aire debe ser ≥150 cm 3.- El ingreso del aire puede ser directo ( exterior) o a través de otro recinto

DIRECTA

a.- Ubicación Es obligatoria para artefactos no conectados a shaft y deberá ser ubicada a una distancia ≥ 30 cm de cualquier conducto de artefacto Tipo-B o C y a 60 cm ,por debajo de un sombrerete Tipo-B. b.- Propiedades de ésta ventilación 1.-Por pasada a través de los muros exteriores 2.- Por un conducto de ventilación (vertical u horizontal) 3.- Por conducto colectivo específico

INDIRECTA

Propiedades Esta Ventilación se logra por pasada de aire a través de un muro interior que forma parte de un recinto con ventilación directa al exterior

Alejandro

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PROBLEMA DE APLICACIÓN: El recinto cocina de un departamento en un edificio comunitario tiene una capacidad volumétrica de 11 m3 y se encuentra provista de un calefon de 18 Mcal/h y de una cocina encimera de 8 Mcal/h. El recinto tiene ventilación superior e inferior (como lo señala la Norma) y está alimentado con Gas Natural. Determine : a.- ¿En cuánto tiempo se consumiría el aire de la cocina si no existen ventilaciones? b.- ¿Cuáles deberían ser las dimensiones de las celosías? Desarrollo : La pit total = (18 + 8 ) (Mcal/h) = 26 (Mcal/h) La cantidad de gas que se necesita para desarrollar ésta pit es : Mcal 1000 Kcal 26 · · h 1Mcal

m3cb kgcb 1m3cb = 1,72 = 2,74 h 9.500 Kcal h

El Aire Teórico necesario para combustionar 1 Kg de combustible es: A.teórico = 1,162 * (C/12 + H/4 + N/14 + S/32 - O/32) A.teórico = 14,2

(m3N / kg Cb)

m3 Aire Kgcb

La cantidad de aire requerida por la pit :

3 mN Aire Kgcb mN Aire · 14,2 = 24,42 1,72 Kgcb h h 3

m Aire El caudal de aire es de Q = 24,42 N h El tiempo necesario para consumir el aire de la cocina es de : 1h m3 N aire 60min 3 * 11 m Aire * 0 , 914 * = 24,7 min 3 m3 aire 1h 24,42mN Aire Por lo tanto el aire de la cocina debería ser renovado totalmente cada 25min.

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95 b.- La velocidad de ingreso (o egreso) del aire a través de la celosía ubicada en el muro de espesor 15 cm ( lo más común en promedio) es de :

V (aire ) = 0,27 ·

L(tg e − tAire) = 0,27 ·

0,15m(35 − 18)º C = 0,43

m s

Si las celosías son de Area A ( m2 ) y el caudal de los gases de escape es de : m3 ge 11m3 ge Qge = = 0,43 min 24,7min Qge = velocidad · Area 0,43

m 60 s m3 · A m2 · ( ) = 25,8· A ( ) s 1min min

por lo tanto :

25,8· A (

m3 m3 ) = 0,43 min min

Despejando A = 0,01666 m2 = 166 cm2 Si las celosías son cuadradas deberían ser de 13 cm lados por cada lado NOTA : El Organismo Fiscalizador exige que estas superficies sean libre, es decir, los 166 cm2 deben ser sin obstáculos, absolutamente libres.

Calefones y/o Termos tipo-B en Recintos Reducidos Cuando los recintos son oficinas, locales comerciales o departamentos de ambiente único, se deberán cumplir las siguientes condiciones: 1.- El ambiente debe tener un volumen mínimo de 30 m3. 2.- El calefon o termo no podrá tener un consumo superior a 12 Kw ó 10,33 Mcal/h. 3.- El recinto deberá tener ventilación superior e inferior, ambas comunicadas al exterior, con superficie mínima de 150 cm2 c/u

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Veamos un problema de aplicación : Un local comercial -de ambiente único- ha destinado un rincón, para que cocinen sus emplados. Se instaló un Calefón tipo B de 20 kw/h y una cocina encimera de 10 Kw/h, ambas para usar GLP . El recinto tiene celosías de respiración superior e inferior de 150 cm2, y un volumen total de 5 x 4,5 x 2. De acuerdo a lo establecido por la Normativa ¿Cree Ud. que las celosías son suficientes para evacuar el aire viciado del local, si la temperatura promedio de éste es de 35 ºC? m3 Aire - considere que el aire teórico es de 13,4 · KgGLP (NOTA: el Decreto 745 en su artículo 30 establece que el aire viciado de un lugar de trabajo debería renovarse 6 veces en una hora, o bien una vez cada 10 min) Desarrollo: Volumen del recinto : 5 x 4,5 x 2 = 45 m 3 La pit instalada es de (20 +10 )

Kw 1,0 Mcal Mcal · = 25,8 h 1,16 KW h

Esta pit necesita de un consume de GLP de : 25,8

Mcal 1000 Kcal · · h 1Mcal

1m3GLP 1,8 KgGLP · 22.400 Kcal 1m3GLP El consumo de GLP = 2,08

KgGLP h

Calculemos la cantidad de Aire que teóricamente se necesitaría, para combustionar GLP A teórico = 13,4

m3 Aire KgGLP m3 Aire · 2,08 = 27,85 KgGLP h h

Si el volumen del recinto es de 45 m3, significaría que teóricamente tendríamos 45 m3 de Aire, por lo tanto :

1hora 60min · 45 m3 · = 97 min 27,85m3 1hora Si no existiera ventilaciones, el aire del recinto sería consumido en 97 min , es decir en 1,6 horas. La velocidad de evacuación del aire viciado a través de un muro de 15 cm de espesor sería :

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V = 0,27 · L(tg e − tAire) = 0,27 · 0,15 * (35 − 18) = 0,43

m 60s m * = 25,8 s min min

El área de evacuación de la celosía superior es de 0,0150 m2, por lo tanto : Q ge. = 25,8

m m3 · 0,0150 m2 = 0,39 min min

1min · 45 m3 = 115,4 min = 1,9 horas. 0,39m3 Conclusión : el aire viciado del recinto se renovaría cada 2 horas, sin embargo el Decreto 745 establece ( en su art.30) que deberá renovarse totalmente cada 10 min. Por lo tanto, las evacuaciones son insuficientes,o bien, la cocina y el calefon están sobredimensionados para el recinto

Calefones o Termos en Armarios y/o Closet Deberán cumplir con los siguientes requisitos: a.-El compartimiento debe ser construido de albañilería o de otro material incombustible. b.- El uso debe ser sólo para el calefon o el termo y, para evitar que se almacenen otros productos, deberá construirse bajo el calefon un plano inclinado de pendiente 45º. c.- El calefon deberá quedar separado de la pared y de la puerta por 5 cm. Si ésta es de material incombustible. Si la puerta es de material combustible, deberá separarse por 20 cm d.- El compartimento deberá tener celosía inferior y superior , y satisfacer las siguientes condiciones : Tipo de artefacto Area de ventilación (cm2/Kw ) Superior Tipo B a.- Si el compartimento es ventilado hacia otro recinto vecinal que tiene ventilación directa al exterior. (es decir, toma aire primario de un recinto vecinal) b.-Si el compartimento es ventilado directamente al exterior

Inferio

4,5

9,0

Nota 1 Mcal/h = 1,16 KW

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98 - Las dos ventilaciones deberán estar comunicadas al mismo recinto y ambas ubicadas en el mismo muro. - Si en un mismo compartimento hay 2 artefactos, la dimensión de las ventilaciones se hace sumando las 2 potencias.

IMPORTANTÍSIMO Art. # 40 del D.S. 222 ( al final) No se podrán instalar calefones o termos en salas de baño

INSTALACIONES DE ESTUFAS Art.#41 del D.S 222

1.- Estufas a gas Tipo-A : Se podrán instalar en recintos donde el gasto de la estufa no supere las 0,27 [Mcal/h / m3 de Aire ]y la ventilación del recinto deberá ser superior e Inferior y cada una de 150 cm2 útiles. (Factor de seguridad para estufas) 2.- Estufas del Tipo-B: El recinto deberá tener un volumen mayor a 8 m3 y la ventilación deberá tener una sección libre mínima de 100 cm2 útiles, si sólo está la estufa, pero si hay otro artefacto más, deberán ser de 150 cm2 útiles.

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Problema : Se instala una estufa tipo-A en un recinto de dimensiones 4 x 4 x 3 m3 y con celosías de ventilación superior e inferior. La estufa es de 20 KW/h y usa GN. ¿Se podrá utilizar esta estufa en el referido recinto sin que signifique riesgo para sus moradores, de lo contrario, de qué potencia debería ser la estufa? La estufa genera :

Kw 1Mcal · h 1,16 Kw

= 17,24

Mcal (potencia calórica nominal) h Mcal Mcal h = 0,36 h 3 48m m3

17,24 El factor de seguridad es fs =

Se supera el valor de la Norma y se requiere de una estufa más pequeña. ¿De qué potencia debería ser la estufa adecuada para éste recinto? Mcal Mcal x h 0,27 h3 = m 48m3 x = 12,46

Mcal = 15 Kw h

Problema: Una oficina adquiere un calefactor de 8 Mcal/h y que opera con GLP. En la oficina trabajan 5 personas que mantienen el calefactor encendido durante las 8 horas de permanencia. Si la oficina tienen las dimensiones de 6 x 4 x 2,5 y la temperatura de equilibrio es de 35 ºC ¿ Qué dimensiones deberían tener las celosías de evacuación de aire viciado? Considere una temperatura externa de 15ºC y suponga que el Aire Teórico para GLP es m3 Aire ) de = 13,4 ( Kgcb

1.- ¿Qué consumo de aire requiere el calefactor?

Mcal 1000 Kcal 1m3cb 1,8Kgcb Kgcb · · · = 0,64 3 h 1Mcal 22400 Kcal 1,0m cb h

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100

El Aire Teórico para GLP es : AT = 13,4 (

m3 Aire ) Kgcb

Kgcb m3 Aire m3 Aire ) = 8,57( ) Entonces los : 13,4 ( ) · 0,64 ( Kgcb h h En relación a las personas : 5 personas·

14asp 2l 1m3 60min m3 Aire * * * = 8,4 h min asp 1000lt h

m3 Aire m3 Aire m3 Aire El aire total requerido por el recinto es de : 8,57( ) + 8,4 = 16,97 h h h Luego, las 8

Mcal m3 Aire del calefactor requieren 2,68( ) h h

Si el calefactor trabaja por 8 horas, entonces las 64 Mcal requieren de 21,44 m 3 Aire. La velocidad de salida de los gases de escape es : Vgases = 0,27 · L(tg e − tAire) = 0,27 · Q = V·A = 1683 · A (

0,15·(35 − 15) = 0,46 (

m m ) =1683 ( s h

m3 ) h

Este caudal debe ser igual al sugerido por el D.S. 745 art.30 : Q = V·A = 1683 · A(

m3 m3 Aire ) = 16,97 h h

A = 0,01m2 A = 100cm2 Cada lado es de 10 cm

CÁLCULOS DE LA CANTIDAD DE CILINDROS EN UNA INSTALACIÓN DOMICILIARIA El tema consiste en evaluar la cantidad de cilindros “N” ( 45 Kg o de 15 Kg) necesario para satisfacer las necesidades de energía de una determinada vivienda. Para ello es necesario estimar si la vivienda será de consumo bajo, mediano o alto, lo cual tiene relación directa con la superficie edificada, es decir, si está comprendida entre 50m 2 y 75m2 respectivamente. Así, si la vivienda supera los 75m2, el consumo es alto. Si la vivienda está comprendida entre 50 y 75m 2, el consumo es medio y, para edificaciones inferiores a 50m2, el consumo es bajo. Por otra parte, medir el consumo promedio de combustible en una vivienda, es un parámetro muy variable, por lo tanto los cálculos que realizaremos tienen la validez de ser sólo aproximados o estimativos. Del mismo modo, este consumo es también evaluado como intermitente o continuo. El primero está referido a consumos en departamentos y

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101 casas. El segundo, referido a hoteles, hospitales, fuentes de soda , industrias del sector productivo. Otro parámetro importante que debe ser considerado es la temperatura promedio de cálculo que ha sido asignada por la SEC. Esta temperatura está referida a la comuna donde se encuentre instalada la vivienda y, para efectos de cáculo, la SEC ha entregado tablas que permiten ser manejadas facilmente y que se les conocen como temperatura de cálculo. Realicemos un cálculo que nos permita conocer la operatoria en forma secuencial. Problema Calcular la cantidad de cilindros de 45 Kg, que necesita una vivienda mayor de 75m2 de superficie edificada , ubicada en la comuna de las Condes y que se encuentra equipada Mcal Mcal Mcal con : 2 calefones de 18 , 2 Calefactores de 3 y una cocina de 12 h h h 1.- Calculamos la Pit instalada : Mcal h Mcal 2 Calefactores de 3 h Mcal 1 Cocina de 12 h 2 calefones de 18

Pit

Mcal h Mcal = 6 h Mcal = 12 h = 36

= 54

Mcal h

2.- Tipo de suministro Intermitente 3.- Por tener la vivienda una superficie igual a 75 m2 se considera de consumo medio 4.- Por estar ubicada en la comuna de Las Condes , la temperatura de cálculo será de 0ºC , según la tabla adjunta :

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TEMPERATURA DE CALCULO Comunas por orden alfabetico Comuna: Ancud Antofagasta Arauco Arica Aysen Balmaceda Baquedano Batuco Buin Calama Caldera Calera de tango Castro Catalina Cauquenes Chillan El Bosque El Monte El Teniente Estacion Central Farellones Huara Huasco Huechuraba Illapel Independencia Iquique Isla juan Fernandez Isla de Maipo Isla de Pascua Los Vilos Macul Maipu Malloco Maria Pinto Maria Elena Melipilla Ñuñoa Ovalle Paine Pedro Aguirre Cerda

Temperatura de calculo ºC -5 10 0 10 -5 -20 10 5 5 -5 10 5 -5 10 0 0 5 5 -15 5 -20 10 10 5 5 5 10 10 5 10 5 0 5 5 5 10 5 5 5 5 5

Comuna: Cerrillos Cerro navia Colina Combarbala Concepcion Conchali Constitucion Copiapo Coquimbo Coronel Coyhaique Curacavi Curico Chanco Chañaral La cisterna La florida La granja La pintana La reina La serena Lampa Las condes Lebu Linares Lo barnechea Lo espejo Lo Prado Lonquimay Los Andes Pirque Pisagua Potrerillos Pozo Almonte Providencia Pudahuel Pueblo Hundido Puente Alto Puerto Montt Puerto Natales Punta Arenas

Temperatura de calculo ºC 5 5 5 5 0 5 5 5 5 0 5 5 0 5 10 5 5 5 5 0 5 5 0 0 0 0 5 5 -15 0 0 10 -15 10 5 5 5 0 0 -5 -5

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103 Temperatura de calculo ºC

Comuna: Peñaflor Peñalolen Pichilemu Quintero Rancagua Recoleta Refresco Renca San Antonio San Bernardo San Felipe San Joaquin San Jose de Maipo San Miguel San Pedro (stgo) San Ramon Santiago

5 0 5 0 0 5 10 5 5 5 5 5 0 5 5 5 5

Temperatura de calculo ºC

Comuna: Quilicura Quillagua Quinta normal Talca Taltal Tocopilla Tome Talcahuano Talagante Til-til Valdivia Valparaiso Vallenar Vicuña Viña del mar Vitacura

5 10 5 0 10 10 0 0 5 5 0 5 5 5 5 0

5.- Determinación de la Razón de Vaporización : Rv Mcal La Rv corresponde a la energía en ( ) que necesita absorber 1 Kg de combustible h líquido para transformarse totalmente en combustible al estado gas. (Es decir, este fenómeno es el que ocurre en el interior de los cilindros de gas licuado)

RAZÓN DE VAPORIZACIÓN (Mcal/h) Consumo Intermitente Temperatura de cálculo / ºC 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

Estanques de Capacidad volumétrica / m3 180 179 (100) 140 120 100 80 60 40

280 250(140) 210 180 150 120 90 60

530 470(270) 400 350 240 230 170 170

Cilindros de GLP de 15 Kg

45Kg

17 16 15 14 18 12 10 8

38 35 32 29 26 24 20 15

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RAZÓN DE VAPORIZACIÓN (Mcal/h) Consumo Continuo Temperatura

Estanques de Capacidad volumétrica / m3

de cálculo / ºC 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

100 90(45) 80 70 60 40 30 20

150 120(80) 110 100 80 60 50 30

Cilindros de GLP de

290 280(150) 220 190 160 130 90 60

15 Kg

45Kg

15 14 12 11 10 9 7 5

33 30 27 24 21 18 14 9

CONSUMO DIARIO EN (Mcal/día) Artefacto

Nivel

Temperaura de cálculo en ºC

Calefactor

Bajo Medio Alto

10 1,5 3 3

5 3 9 12

0 6 18 24

-5 9 27 36

-10 12 36 48

-15 15 45 60

-20 18 54 72

Calefón

Bajo Medio Alto

2 6 6

3 9 12

4 12 18

Cocina

Bajo Medio Alto

3 4 6

4 5 7

5 6 8

Calefón y Cocina

Bajo Medio Alto

5 10 12

7 14 19

9 18 26

Calefactor Calefón Cocina

Bajo Medio Alto

6,5 13 15

10 23 31

15 36 50

18 45 62

21 54 74

63 86 24

27 72 98

2Calefones Medio Cocina Alto

13 15

18,5 25

24 35

35 69

24 35

Calefactor 2Calef+Coci na 2 Calefactores Cálef+Cocin a 2Calefactore s 2Calef+Coci na

Medio Alto

16 18

27,5 37

42 59

51 71

60 83

95 8

78 107

Medio

14,5

27,5

58,5

85,5

Alto

16,5

116

134

Medio

17,5

64,5

91,5

Alto

19,5

107

125

143

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105

Para una razón de vaporización igual a 29 (

Mcal ), el Número de cilindros será : h

Mcal h N= = 1,86 cilindros de 45 Kg. Mcal 29 h Este valor se aproxima al entero superior, y por ende N = 2 cilindros. Existe una ecuación semi-empírica, llamada ecuación de recurrencia, que permite estimar en función del consumo diario, el número de cilindros que debería usar una determinada vivienda. Esta ecuación es de terreno y establece Consumo N = 0,037 · día De acuerdo con nuestro ejemplo, 54

N = 0,037 x 51

Mcal = 1,88 día

Considerando el entero superior, se necesitarían 2 Cilindros. 7.- Para calcular la cantidad de cilindros que debería tener el equipo de GLP, se deberá multiplicar por 2 como factor de reposición, según D.S.222. Art.92.D.En epocas invernales, el servicio entregado por los cilindro de GLP es insuficiente como una consecuencia de una baja Razón de Vaporización. Lo anterior obliga a tomar dos alternativas :

1.- Usar el mínimo de artefactos a una mínima carga.( lo cual resulta incómodo)

2.- Aumentar el número de cilindros al doble conocido como factor de reposición.

Ejemplo Nº2.Calcular la cantidad de cilindros de 45Kg necesarios para una vivienda ubicada en Renca con : Mcal 1 calefón de 9 h Mcal 1 cocina de 8 h Mcal 1 calefactor 1.5 h

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P.I.T.

= 18.5

Mcal h

a) Por ser sumunistro domestico, el consumo se estima como intermitente.

b) Por tener la vivienda menos de 50 m2 se considera con bajo nivel de consumo. c) por estar en la comuna de renca, la Tº de trabajo sera de : 5ª C

d) razonde vaporizacion = 32 e) Nº de cilindros =

Mcal h

Pit 18.5 = = 0.58 . por lo tanto se aproxima al entero superior es Rv 32

decir: 1 cilindro f) de acuerdo a la normativa el factor de reposicion es 2, por lo tanto, el numer ocilindro es 2. g) Utilizando la ecuación de recurrencia Mcal =0,37 cilindros, aproximando al entero superior se h tendrá 1 cilindro y, por el factor de reposición serán 2 cilindros.

NºCilindros = 0,037 * 10

Problema Nº3 Un edificio ubicado en Puente Alto funciona como hotel. Su consumo se estima como Mcal continuo y está integrado por 2 calefones de 20 cada uno, 2 Calefactores de 3 h Mcal Mcal cada uno y una cocina industrial de 20 . Calcular el número de cilindros y h h estanques.

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107

INSTALACION DE CAÑERIAS Cálculo en baja presión Todas las instalaciones de gas están sujetas a pérdida de combustible causado por : -

Falta de mantenimiento de los artefactos, lo que conlleva que el combustible no se queme bien ni completamente.

Las cañerías del tendido están sujetas a los fenómenos naturales como vibraciones y temblores, los cuales rompen o fatigan las soldaduras de la linea.

Ruptura y/o endurecimiento de las empaquetaduras de las llaves de paso lo que provoca filtraciones.

La fatiga de los resortes en los reguladores de presión de gas.

La Normativa Chilena acepta una pérdida de 120 Pa ( 12 mm.c.a.) para una instalación con gas natural. Lo anterior representa un 6,6 % de la presión nominal de servicio. (La normas Europeas aceptan hasta un 10 % de la presión nominal de servicio)

Por otra parte, también es importante considerar que para lograr un buen funcionamiento de los artefactos de uso doméstico, no sólo prevalece el mantenimiento, sino que además es importante el dimensionamiento adecuado de las cañerías del tendido, ya que, por ejemplo, en la conversión a GN al tener éste una menor potencia calórica que el GLP ( PCS del GN 9.500 kcal/m3 y PC del GLP 22.400 kcal/m3 ) se requiere de un mayor volumen de consumo para lograr homologar la potencia inicial. Cuando los diámetros de las cañerías no son los adecuados se producen pérdidas de carga, aumento del coeficientes de roce, variación de los consumos de combustible, Variaciones en las presiones de servicio etc. etc. Todos estos parámetros harían pensar que el artefacto está malo o que fuimos engañados al comprarlo. Lo anterior no es posible porque todos ellos vienen rigurosamente normalizados de fábrica según el tipo de combustible que usaremos. El estudio que realizaremos a continuación enfoca a determinar el mejor tendido para el gas combustible y la determinación adecuada de los diámetros de las cañerías. Los principales parámetros que intervienen en el cálculo son : φ L δp

= Diámetro de la cañería en cm = Longitud en m = Pérdida o caída de presión en la línea en Pa (1 mm.c.a = 10 Pa)

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108 PTC = Potencia total de cálculo(Mcal/h) ( 1 Mcal/h = 1,16 Kw/h ) K = Coeficiente de fricción depende del diámetro de la cañería α = Factor que depende de la naturaleza del gas φ ( diámet. de la cañería ) 3/8 ” hasta 1 “ 2” 3” 4”

Coeficiente α 1,19·10-3 1,76·10-3 5,34·10-3

Combustible Gas Natural GLP GC

φ =[ (

Coeficiente K 1800 2160 2340 2420

L PCT )·( )^ 2 ]^ 0.2 δp α· K

PRESIONES DE SERVICIO / mm.c.a. Combustible GC GLP GN

P. mínima 67 220 150

P.máxima 203 330 220

P.Nominal 135 270 180

El tendido de la red de gas, en el interior de una vivienda ( casa o departamento), va desde el regulador de servicio hasta los artefactos. Lo más frecuente en la Región Metropolitana es ver la posibilidad de utilizar el mismo tendido que había para GLP y adaptarlo o usarlo para GN. De ser esto posible se tendría:

Un ahorro de dinero en lo equivalente a un nuevo tendido Si las dimensiones de las cañerías lo permiten se podría * Colocar un nuevo regulador de presión antes de cada artefacto. * Un regulador para GN antes del medidor. El tendido original, para GLP estaría adaptado para soportar una presión de servicio de 270 mm.c.a. Para GN deberá soportar solamente 180 mm.c.a., por lo

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109 tanto, se podría incorporar un mayor número de artefactos ya que la red tendría una mayor disponibilidad de potencia.

Problemas de aplicación: Si la caída de presión máxima aceptada por la norma para GLP es de 150 Pa, Calcular la caída de presión en cada tramo de la línea y el diámetro que deberían tener las cañerías.

PTC : POTENCIA TOTAL DE CÁLCULO Artefacto Cálefon Cocina Calefactor

Cantidad 1 1 1

Pot. * Artefacto 20 Mcal/h 8 Mcal/h 3 Mcal/h PTC

Potencia Total 20 Mcal/h 8 Mcal/h 3 Mcal/h

Caídas de presiones máximas permitidas por la norma en (Pa) δp máx. GLP

150 Pa

δp máx. GC y GN

120 Pa

31 Mcal/h

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DESARROLLO: La longitud total del tendido para el problema anterior es de : 20,7 m 1º Calculamos la caída de presión en cada tramo: δp = δp máx .·

Ltramo Ltotal

Tramo 12: δp = δp máx .·

12 Ltramo = 86,95 Pa = 150 · Ltotal 20,7

Tramo 23: δp = δp máx .·

Ltramo 1,5 = 150 · = 10,87 Pa Ltotal 20,7

Tramo 24: δp = δp máx .·

Ltramo 2 = 150 · = 14,49 Pa Ltotal 20,7

Tramo 45 : δp = δp máx .·

Ltramo 1,5 = 150 · = 10,87 Pa Ltotal 20,7

Tramo 46: δp = δp máx .·

Ltramo 2,5 = 150 · = 18,11 Pa Ltotal 20,7

Tramo 67: δp = δp máx .·

Ltramo 1,2 = 150 · = 8,69 Pa Ltotal 20,7

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111

CÁLCULO DEL DIAMETRO DE CAÑERíAS: El valor de α· K para GLP =0,00176 · 1800 = 3,17 φ =[ (

L PCT L PCT )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ( )·( )^ 2 ]^ 0.2 δp α· K δp 3,17 φ =[ (

Diámetro Nominal/inch ¼ 3/8

½ ¾ 1 1¼ 1½ 2

L PCT )·( )^ 2 ]^ 0.2 en cm. δp 3,17

Diámetro Externo/mm 9,53 12,7 15,88 22.23 28,58 34,93 41,28 53,98

Espesor de pared/ mm 0,76 0,89 1,02 1,14 1,27 1,40 1,52 1,78

φ 12 =[ (

L PCT 12 31 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 1,67 cm = ¾ “ δp 3,17 86,95· 3,17

φ23 =[ (

L PCT 1,5 20 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 1,4 cm = ½” δp 3,17 10,87· 3,17

φ 45 =[ (

L PCT 1,5 8 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 1,67 cm = δp 3,17 11,0 3,17

3/8”

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φ 67 =[ (

L PCT 1,2 3 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 0,658 cm = ¼ “ δp 3,17 8,69 3,17 ·

PROBLEMA Nº 2.Compruebe si al usar gas natural se requiere cambiar los diámetros de las cañerías en el problema anterior Desarrollo: De acuerdo a la caída máxima de la presión al usar GN se tendría: 120 Pa

Tramo 12: δp = δp máx .·

Ltramo 12 = 120 · = 69,56 Pa Ltotal 20,7

Tramo 23: δp = δp máx .·

Ltramo 1,5 = 120 · = 8,69 Pa Ltotal 20,7

Tramo 24: δp = δp máx .·

Ltramo 2 = 120 · = 11,59 Pa Ltotal 20,7

Tramo 45: δp = δp máx .·

Ltramo 1,5 = 120 · = 8,69 Pa Ltotal 20,7

Tramo 46: δp = δp máx .·

Ltramo 2,5 = 120 · = 14,49 Pa Ltotal 20,7

Tramo 67: δp = δp máx .·

Ltramo 1,2 = 120 · = 6,95 Pa Ltotal 20,7

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113

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE CAÑERÍAS PARA USAR G.N. El valor de α · K para GN =0,00119 · 1800 = 2,14 φ =[ (

L PCT L PCT )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ( )·( )^ 2 ]^ 0.2 δp α· K δp 2,14

φ =[ (

L PCT )·( )^ 2 ]^ 0.2 δp 2,14

( en cm.)

Por lo tanto se tiene : φ 12 =[ (

31 2 0,2 L PCT 12 = 2,04 cm = ¾ “ ) ] )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( 69,56 δp 2,14 2,14

φ23 =[ (

L PCT 1,5 20 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 1,72 cm = ¾” δp 2,14 8,69· 2,14

φ 45 =[ (

φ 67 =[ (

L PCT 1,5 8 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 1,19 cm = 3/8 “ δp 2,14 8,69· 2,14

L PCT 1,2 3 2 0,2 )·( )^ 2 ]^ 0.2 = [ ·( ) ] = 0,805 cm = ¼ Cuadro Comparativo δp 2,14 6,95 2,14 ·

Tramo 1-2 2-3 4-5 6-7

φ externo con GLP/ inch 3/4 1/2 3/8 1/4

φ externo con GN / inch Observación 3/4 3/4 3/8 1/4

Mantener diámetro Aumentar diámetro Mantener diámetro Mantener diámetro

CONVERSION DE ARTEFACTOS Todos los quemadores utilizados en artefactos domiciliarios son del tipo “atmosférico” es decir la combustión se realiza con el aire de la atmósfera sin que éste ingrese en forma forzada. La parte del aire que se mezcla con el gas se le llama “aire primario” . El resto del aire ( el que puede tener diferentes ingresos en la fuente y el que rodea a la llama) se le denomina “aire secundario”

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Partes componentes de un quemador:

Inyector ( jet ) : corresponde a un orificio calibrado que permite un determinado paso de combustible. Esta cantidad de combustible podrá ingresar a la cámara de combustión a mayor o menor velocidad, la que se regula con un tornillo micrométrico o simplemente “regulador de combustible” Regulador de aire : Es un dispositivo que regula el ingreso de aire primario al mezclador. Este dispositivo puede ser tipo “ tornillo micrométrico” o del tipo templador (es decir, una lámina metálica que permite un mayor o menor ingreso de aire, por obstrucción de un orificio) Mezclador : Es un tubo tipo Venturi, dónde se produce el mezclado por turbulencia entre combustible y comburente. Cabeza del quemador: Aquí se origina el encendido de la mezcla combustible, está formado por un conjunto de orificios . Aire secundario : es aquel que se mezcla con la llama. Todos los quemadores de uso doméstico tienen un dispositivo correspondiente a un anillo metálico o rejilla que evita el desprendimiento de la llama. La velocidad de una llama es igual a la velocidad de salida de la mezcla combustible a través de los orificios del quemador.

Al realizar la conversión de GC y GLP a GN será necesario regular el ingreso de aire primario al quemador. Este procedimiento se hace por control visual. •

Llama de color azúl : combustión completa, es decir la que se aproxima a la estequiométrica

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•

115 Llama de color amarillo : combustión incompleta por exceso de combustible. La coloración se debe al desprendimiento de partículas incandescentes parcialmente quemadas Llama roja o naranja: corresponde a una combustión con aire primario en exceso(recordemos que el exceso de aire apaga la llama, la mezcla queda parcialmente quemada).

La cantidad de calorías que debería proporcionar un quemador : Q = m·c· ∆t m = masa a calefaccionar (kg) c = calor específico (= 1 kcal/kg·ºC) ( caso del agua) ∆t = variación de la temperatura Ejemplo : Se desea hacer hervir 1 litro de agua en una tetera de aluminio, cuyo calor específico es 0,22 (kcal/kg·ºC). Si la temperatura inicial es de 20ºC y la final de 100 ºC y el tiempo que demora en ebullir es de 10 min. ¿Cuál es la potencia térmica requerida por el quemador y cuál es el diámetro del inyector? El principio de las mezclas térmicas de Regnaul establece que : Calor cedido por el quemador = Calor absorbido por el sistema ( tetera y agua )

= 1kg · 0,22 kcal/(kg ·ºC) · 80 ºC + 1kg ·1 kcal/(kg·ºC) · 80 ºC

como el tiempo en lograr la ebullición son 10 min = 0,166 h, entonces , al dividir por 0,166 se tiene : 1m3 glp 97,6 / 0,166 = 586 ( Kcal/h ) · 22.400kcal m3GLP Calor cedido por el quemador = 0,02614 ( ) h ¿Cuál es el área del inyector en mm 2? Ai = 69,5 · ( Ai c ρ p Φ

= área del inyector mm2 = consumo combustible (m 3/h) = densidad del gas (kg/l) = presión de servicio de gas = coef. de descarga del inyector (0,84)

c )· Φ

ρ p

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116 Ai = 69,5 · (

c )· K

s 0,02614 1,8 = 69,5 · ·* = 0,187 mm2 p 0,84 270

¿Cuál será el diámetro del inyector? 4· Ai 4 * 0,187 = = 0,487 mm π 3,1416 Resuelva el mismo problema anterior pero usando GN. Discuta su resultado de acuerdo con las siguientes propiedades. ϕi =

Combustible GLP GC GN

Densidad(kg/m3) 1,8 0,68 0,63

PCS (Kcal/m3) 22.400 4.500 9.500

p.servicio/mm.c.a Caída de presión /150 Pa 240 135 120 180 120

FACTOR DE SIMULTANEIDAD El Factor de Simultaneidad ( fs) establecido en el D.S. #222 es : La razón entre la Potencia Máxima absorbida por un conjunto de instalaciones durante un intervalo de tiempo dado y, la suma de las Potencias Máximas Absorbidas individualmente por cada instalación del edificio durante ese intervalo.

Cuando se desea determinar los diámetros de cañería de la red de gas, se deberá tener presente lo siguiente : 1.- La presión atmosférica ( atm. Física ) es de 101,3 Kpa : = 76 cm Hg = 760 mm Hg = 10336 mm.c.a. = 10,33 m.c.a. = 1,033 (kgf / cm2 ) = 14,7 psi 2.- La presión manométrica a la salida del regulador(atm. Técnica) : = 98,07 Kpa Para efectos del cálculo en edificios, por convenio, se ha aceptado que : atm. Física = atm. Técnica = 100 Kpa.

Las principales ecuaciones asociadas a la Media Presión son :

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117 L = δp ·

Φ5 · (

F )2 (m) PCTt

L PCT 2 0,2 )·( ) ] ( mm ) δp F PCTt ) ( L / Φ5 ) δp = ( F Φ = 10 ·

[(

L = Longitud del tramo en metros δp = pérdida de presión Kpa2 Φ = diámetro interior de la cañería F = factor que depende del tipo de gas . PCT t = Potencia de cálculo total para el tramo Combustible Gas Natural Gas Ciudad GLP

Factor F 7,1 7,1 10,49

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118 LA PÉRDIDA DE CARGA O CAIDA DE PRESIÓN

1.- Concepto

Cuando un gas circula por un ducto pierde presión causado por el roce contra las paredes del referido ducto, o bien, por la presencia de un codo, o por la presencia de una derivación, también por una contracción en la cañería o por el ingreso a un artefacto que consumirá al combustible. La pérdida de carga se pondera entre el inicio y el término del recorrido y se le conoce como caída de presión. ∆p = p2 – p1 La importancia de conocer la pérdida de carga o caída de presión, radica fundamentalmente en que al llegar el gas hasta el artefacto que lo consumirá, necesita de una presión de servicio. Es decir, la necesaria y suficiente como para que el artefacto funcione adecuadamente 1 atm = 100 Kpa

2.- Longitud equivalente de la cañería La longitud equivalente LE, se representa por la suma de todas las longitudes que provocan pérdida de carga : LE = L + LE codos+ LE derivaciones + LE de las secciones + LE accesorios En la práctica, la longitud equivalente se obtiene agregando un 20% a la longitud del tubo, es decir :

LE = 1,2 · L

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3..- Pérdida de carga unitaria Es la caída de presión por unidad de longitud equivalente :

PCU =

∆p Pa mm.c.a. atm = = = LE m m m

4.- Pérdida de carga calculada por la ecuación de Renourd ( baja presión)

∆p = 232000 · ρr · LE ·

∆p

= caida de presión en mm.c.a.

= longitud equivalente de la tubería (m)

ρr

= densidad relativa del combustible

= caudal de gas combustible (m 3N / h)

= diámetro interior del ducto en mm.

Q1,82 φ 4,82

Ejemplo : Una tubería de baja presión tiene una longitud equivalente a 15 m. Transporta un gas que tiene densidad relativa de 0,6. Si el diámetro interior del tubo es de 33 mm y el caudal es de 4 m3 / min. Entonces : ¿Cuál será la pérdida de carga unitaria? ¿Cuál será la velocidad de circulación del gas? ¿Supera la Normativa de la velocidad de hasta 20 (m/s)? ∆p = 232000 · ρr · LE ·

Q1,82 φ 4,82

41,82 = 232000 · 0,6 · 15 · 4,82 33

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= 12,84 mm.c.a. pérdida de carga unitaria

PCU =

12,84 mm.c.a = 0,856 (mm.c.a/m) 15 m

La velocidad de circulación del gas es de : Q = v · A de aquí despejamos m3 1h 4 ·( ) * Q h 3600s = 1,29 (m/s) v = = A 8,55 * 10− 4 m 2

No debe superar los 20 m/s

5.- Ecuación de Renouard para media-alta presión Esta ecuación establece que :

p12 - p22 = 48,6 · ρr · LE ·

Q 1,82 φ 4,82

En esta ecuación, las presiones están elevadas al cuadrado y p1 y p2 son las presiones al principio y término de la cañería. Por lo tanto :

La pérdida de carga NO es la diferencia entre ( p12 – p22 ), sino que la diferencia entre ∆p = (p1 – p2) Q 1,82 p2 = ( p1 − 48,6· ρr ·LE · 4,82 )^0,5 φ 2

cuando se obtiene el valor de p2 se procede a calcular la pérdida de carga ∆p = (p1 – p2) Problema

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121 La presión absoluta del un gas es de 3,5 bar. Si el diámetro interno de la cañería, cuya longitud equivalente es de 42 m, es de 40 mm y la presión relativa es de 1,16. Determine la pérdida de carga y la velocidad del gas si el caudal es de 60 m 3/h Q 1,82 2 p2 = ( p1 − 48,6· ρr ·LE · 4,82 )^0,5 φ

p2 = ( 3,52 – 48,6 · 1,16· 42 ·

∆ p = 3,5-3,488 = 0,012 bar ·

Pérdida unitaria es =

Vgas =

601,82 )^0,5 = 3,488 bar 40 4,82

10.000mm.c.a = 120 mm.c.a. 1bar

120 mm.c.a = 2,85 ( mm.c.a./m) 42 m

Q 60 (m3 /h) m 1h = ·( ) = 13,2 (m/seg) = 47.747 −3 2 AΦ h 3600 s 1,2566·10 m

no supera los 20

m , por lo tanto satisface Norma s

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6.- CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA MEDIANTE RÁFICO Y TABLAS Las tablas reportan la pérdida de carga unitaria. El gráfico que se usa fue confeccionado por la ATG – Francia , es decir, para una densidad relativa de 0,5, por lo tanto, los resultados obtenidos deberán ser multiplicados por : a.- 1,06 para gas Natural b.- 2,25 para gas Licuado

Ejemplo : m3 de gas con densidad relativa de 0,5, circula por una cañería de 35 h mm de diámetro. Calcular : Un caudal de 4

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a.- La pérdida de carga unitaria b.- La pérdida de carga total, si LE es de 40 m. c.- La velocidad de circulación del gas. Gráficamente :

a.- ∆pu = 60

mm.c.a. 1km mm.c.a · = 0,06 km 1000 m m

b.- Si LE es de 40 m, entonces la pérdida de carga total es de ∆p =0,06

mm.c.a · 40 m = 2,4 mm.c.a. m

c.- Q = V · Aφ , por lo tanto : Aφ = 0,00096 m2 m3 Q =4 h 4m 3 Q m 1h m h = = 4158 · = 1,15 , ( satisface Norma!!) V = 2 Aφ h 3600 s s 0,00096 m 7.- ¿ Cómo

evaluar el caudal ( Q ) de gas que fluye por una cañería y su velocidad (v ) ? Se conoce del gas :

a.- La Potencia de cálculo total PTC en

Mcal h

b.-El Poder Calorífico Superior PCS en

Kcal m3 gas

El cociente entre estos dos valores nos reportan el caudal de gas 3

a.- Q

m h

Mcal ) 1000 kcal h = · Kcal 1 Mcal PCS ( 3 ) m gas PTC (

b.- El diámetro del tramo x de cañería es :

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124

/ cm = [ ( Aφ

c.-

= (

v =

Lx PTCx 2 ) ] ^ 0,2 )·( δx F

φ ) 200

(m2 )

m Q ) ( 3600· Aφ s

Se acepta una velocidad de hasta 40 (m/s) para : a.- evitar ruidos b.- evitar vibraciones c.- evitar corrosiones