Kitabı oku: «Suministro, Distribución y Evacuación Interior de Agua Sanitaria», sayfa 2
Prólogo
Es un placer presentar este nuevo libro dedicado a las instalaciones de suministro, distribución y evacuación interior de agua sanitaria, que compila en un único volumen una importante síntesis de temas relativos al sector de las instalaciones de fontanería y el saneamiento en edificios. Se tratan, entre otros, aspectos de máxima actualidad, como son: instalaciones para la reutilización de aguas grises y pluviales, certificación energética en los edificios, mantenimiento de las instalaciones señaladas, etc. Estos contenidos, en muchos casos, no han sido desarrollados en otras bibliografías técnicas sobre la especialidad.
Cada capítulo se ha elaborado con el máximo rigor y dedicación, tanto a nivel de redacción como a nivel gráfico. Se otorga a cada apartado la extensión suficiente para permitir al lector asimilar los conceptos fundamentales, así como las últimas tendencias en cada una de las instalaciones, equipos o dispositivos tratados en la obra.
A nivel personal, ha sido un placer compartir la preparación de este libro con Francisco Javier Pancorbo, todo un maestro y un referente para todos los técnicos del sector de las instalaciones de agua. Ambos hemos puesto el máximo interés en crear una obra actualizada, completa y atractiva en su formato, que pudiera satisfacer tanto las necesidades de actuales como de futuros profesionales (técnicos, instaladores y estudiantes) de nuestro sector.
Albert Soriano Rull
Mi amistad con Albert Soriano se inició hace algunos años cuando coincidimos, en el ámbito de nuestras respectivas empresas, en la práctica profesional y en el ejercicio de la docencia sobre las instalaciones hidráulicas para edificios, dando lugar a enriquecedores intercambios, tanto en lo que respecta a las normas de aplicación, en ocasiones cuestionables, como en lo referente al diseño de los sistemas y a los procedimientos, no siempre pedagógicos, de exponer los temas. Estas afinidades culminan ahora con la preparación y publicación conjunta de este libro en el que hemos tratado de compatibilizar los aspectos conceptuales, técnicos, didácticos y prácticos. Exponemos de forma sintética, pero rigurosa, entre otros temas a los ya indicados por Albert, los cálculos de las conducciones, tanto de abastecimiento de agua como de evacuación, las características de su funcionamiento, las de sus componentes, averías y los procesos de verificación y control para la solución de problemas reales, temas que hasta el momento no han sido desarrollados de una forma tan extensa en la diversa literatura técnica existente sobre estas especialidades.
Agradecemos, como no, las aportaciones que nos han hecho los profesionales del sector, así como la colaboración que nos han prestado diferentes fabricantes sobre aspectos diversos de sus productos y la utilización de abundante material gráfico para su incorporación en esta obra.
Francisco Javier Pancorbo Floristán
Capítulo 1
Hidráulica de las conducciones
1.1 Hidráulica. Generalidades
Definición
La hidráulica es la parte de la mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos con aplicación a los problemas prácticos (conducciones, abastecimientos, riegos, saneamientos).
Basándose en la mecánica deduce, auxiliada por la experiencia, las fórmulas que permiten resolver los problemas con los que a diario se encuentra el técnico. Se estudia a los líquidos como si fueran fluidos perfectos (homogéneos, no viscosos e incompresibles) y se aplican las leyes de la mecánica, corrigiendo las fórmulas con coeficientes determinados empíricamente para que se ajusten a la realidad. Por lo tanto, la hidráulica es una ciencia aplicada y empírica.
La parte de la hidráulica que estudia las condiciones de equilibrio se llama hidrostática, mientras que la hidrodinámica se ocupa del movimiento de los mismos.
1.1.1 Masa y densidad
La masa es una propiedad intrínseca de los cuerpos y se mide en:
Sistema cegesimal (CGS)………Gramo
Sistema internacional (SI)………Kilogramo
Sistema técnico (ST)………………kg-masa o UTM (Unidad Técnica de Masa)
Tabla 1.1 Unidades del Sistema Internacional
El peso de un cuerpo se define como la fuerza con la que es atraído por la Tierra, aplicada en su centro de gravedad (c.d.g.):
Peso = m·g
Al ser una fuerza, sus unidades son el Newton (N) en el Sl, la Dina (Dn) en el CGS y el Kilopondio en el ST.
Densidad absoluta
Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo homogéneo y su volumen. La expresión para su cálculo es:
Siendo:
ρ = densidad de la sustancia, Kg/m3.
m = masa de la sustancia, Kg.
V = volumen de la sustancia, m3.
Las unidades en las cuales suele expresarse la densidad son: Kg/m3, Kg/dm3, gr/cm3.
La densidad de una sustancia varía con la temperatura y la presión. El agua posee una densidad absoluta a 3,8°C y a una atmósfera de presión igual a 999,997 Kg/m3, aunque con frecuencia en los cálculos se considera el valor de 1.000 Kg/m3 (Sl) o un g/cm3 (CGS).
1.1.2 Peso específico
Peso específico absoluto
Es el cociente entre el peso del cuerpo (P = mg) y el volumen; es decir, es el peso por unidad de volumen de una sustancia. Cuando se trata de una substancia homogénea, la expresión para su cálculo es:
Siendo m la masa y g la aceleración de la gravedad.
El peso específico del agua a 4°C y 1 atmósfera es γo = 9806,26·N/m3.
1.1.3 Viscosidad
Viscosidad absoluta o dinámica
Los fluidos no pueden considerarse siempre como perfectos debido a su viscosidad que es la propiedad en virtud de la cual oponen una resistencia al movimiento uniforme de su masa a causa del rozamiento de unas moléculas con otras. Este grado de «resistencia» se caracteriza por un coeficiente típico de cada sustancia que se llama viscosidad dinámica o más simplemente viscosidad que se representa por µ. En el Sl la unidad kg/(m·s) o Pa·s, denominada Pascal-segundo o poiseuille que es igual a 10 poises en el sistema CGS (g/cm·s), actualmente se encuentra en desuso.
En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura y aumenta muy ligeramente con la presión, siendo el agua una excepción; ya que primero disminuye y luego aumenta con la presión. En los gases la viscosidad aumenta con la temperatura y en cuanto a la influencia de la presión es poco importante.
Viscosidad relativa o viscosidad cinemática
Es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad.
La unidad de la viscosidad cinemática en el Sl es: m2/s. En el sistema CGS es el stokes (abreviado S o St), cuyo nombre proviene de George Gabriel Stokes. A veces se expresa en términos de centistokes (cS o cSt). Debido a que la viscosidad cinemática del agua a 1 atm y 20°C es del orden de 0,01 St, es decir un centistokes —es usual este término como unidad de viscosidad cinemática— pudiéndose obtener su valor aproximado para el agua a distintas temperaturas mediante la expresión de Poisiville:
Para las temperaturas, más habituales en las instalaciones de agua en los edificios, que suelen estar comprendidas entre 10°C y 40°C, la viscosidad cinemática también puede calcularse mediante la ecuación:
Tabla 1.2 Algunas características físicas del agua en función de la temperatur a
1.1.4 Tensión superficial y capilaridad
La superficie libre de un líquido o la de separación de dos líquidos inmiscibles se comporta como una membrana elástica sometida a la acción de una fuerza por unidad de longitud, denominada tensión superficial, lo que determina que la superficie de los líquidos no sea horizontal sino curva, recibiendo el nombre de menisco. Algunos líquidos como el agua tienen menisco cóncavo y otros como el mercurio lo tiene convexo. Dicha fuerza depende de la naturaleza del líquido y es independiente de la extensión de la superficie.
En la tabla 1.2 se dan los valores de la tensión superficial (σ) frente al aire para distintas temperaturas.
Figura 1.1 Capilaridad y meniscos
La causa de este comportamiento se debe a que las fuerzas intermoleculares adhesivas «entre el líquido» y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido, lo que explica la esfericidad de las gotas de un líquido, la capacidad de los insectos de caminar sobre el agua y la posibilidad de flotación de una aguja sobre la superficie de un líquido. En la figura 1.1 se representan estas fuerzas.
Figura 1.2 La ascensión capilar y su aplicación en la soldadura
Un fenómeno debido a la tensión superficial es la capilaridad. La tensión superficial en la superficie de contacto líquido-sólido crea un menisco como resultante de las fuerzas de adhesión y de cohesión. Esto causa que el menisco tenga una forma curva cuando el líquido está en contacto con una superficie vertical y asciende por tubos de pequeño diámetro o entre dos láminas muy próximas.
Cuando un líquido como el agua asciende por el capilar, se dice que «moja» el tubo; los líquidos que descienden, como el mercurio, no «mojan» el tubo. En el interior del capilar se observa que la superficie líquida no es plana, sino que adopta una forma curva o menisco. Por su parte, el ángulo que forma la superficie del líquido con la pared del recipiente se llama ángulo de contacto. Para los líquidos que «mojan» el tubo, dicho ángulo es agudo y, por consiguiente, menor de 90°.
El fenómeno de la capilaridad no solo se produce en el líquido, sino también en los metales en estado de fusión, cuya aplicación práctica constituye la soldadura por capilaridad. La capilaridad se produce tanto mejor, cuanto menor y más regular es el espacio entre el tubo y el accesorio que se pretende soldar.
La mayoría de los materiales de construcción tienen una estructura porosa capilar pudiendo provocar una patología llamada humedad por capilaridad que se da en paredes de plantas bajas y sótanos, donde no existe un aislamiento suficiente. La consecuencia es la ascensión de la humedad proveniente del subsuelo. Este tipo de humedades suben por poros y capilares evaporándose finalmente a la atmósfera y degradando las paredes.
Existen otras muchas más propiedades físicas como: el volumen específico, la presión de vapor, el módulo de elasticidad volumétrico, etc. que no son objeto de este texto.
1.2 Hidrostática
Es la parte de la física que estudia los fluidos en reposo (estado de equilibrio), considerando fluidos tanto a los líquidos como a los gases, ya que un fluido es cualquier substancia capaz de fluir. Se caracterizan por carecer de forma propia y por lo tanto adoptar la del recipiente que los contiene. Por otra parte los líquidos (prácticamente incompresibles) poseen volumen propio, mientras que los gases (compresibles) ocupan la totalidad del recipiente que los contiene. Vemos pues que una de las diferencias que existen entre los líquidos y los gases es su coeficiente de compresibilidad, es decir que mientras que los líquidos son prácticamente ncompresibles, los gases son muy fáciles de comprimir.
1.2.1 Concepto de presión
La presión se define como la fuerza por unidad de superficie que se ejerce perpendicularmente a dicha superficie.
| Siendo: | m = masa. |
| P = presión. | g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s2). |
| F = fuerza. | h = altura. |
| S = superficie. | γ = peso específico. |
En el sistema internacional Sl de unidades, la unidad de presión es el Pascal, simbolizado por Pa y equivale a un Newton por metro cuadrado. Pa = N/m2.
Pero existen otras varias unidades de uso corriente. En la tabla siguiente (1.3) se indican algunas de ellas y sus equivalencias:
Tabla 1.3 Unidades de presión y sus equivalencias
Sobre la superficie de un líquido al aire libre actúa la presión atmosférica, cuyo valor depende del peso de la columna de aire que gravita sobre él mismo. A 0°C y nivel normal tenemos la atmosfera normal. La presión estática puede expresarse como la presión absoluta medida con relación al cero o vacío absoluto y la presión relativa, también llamada manométrica, útil o eficaz, que es la que se obtiene disminuyéndola en el valor de la presión atmosférica, siendo esta última la que nos interesa en la práctica.
En el sistema técnico, que es el más empleado en nuestro campo (a pesar de estar al margen del Sistema Internacional Sl), la unidad de presión es el kilogramo-fuerza por metro cuadrado (kgf/m2) que por ser muy pequeño suele substituirse por el kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2) que se hace equivaler a la atmosfera técnica o métrica (at).
En la Industria la presión estática se mide con los *manómetros metálicos.
*EI de elemento sensible Bourbon es el más usual para estos dispositivos y consiste en un tubo elástico curvado en forma de C de sección oval. La presión del agua deforma el tubo, transmitiéndose esta deformación mediante un piñón a la aguja. También se comercializan manómetros digitales controlados por microprocesador.
1.2.2 Presión hidrostática
La presión hidrostática es la presión que se ejerce en el interior de un líquido como consecuencia de su propio peso. La presión hidrostática que soporta un punto de un líquido es directamente proporcional al peso específico del líquido (γ) y a la profundidad (h). Ver figura 1.4.
Donde:
P = presión ejercida sobre la superficie, N/m2 (P = F/S).
F = fuerza perpendicular a la superficie, N.
S = área de la superficie donde se aplica la fuerza, m2.
h = profundidad o distancia a la superficie.
γ = peso específico.
Unidad de presión
Tal como ya se ha indicado, el pascal (Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.
Figura 1.3 Esquema y componentes de un manómetro Bourdon
Para la medida de la presión se utilizan los barómetros y los manómetros. Los barómetros miden la presión absoluta respecto al vacío, mientras que los manómetros miden una presión relativa, diferencial, o presión manométrica, generalmente una sobrepresión (o depresión) respecto de la presión atmosférica. Normalmente se llaman barómetros a los instrumentos que miden la presión atmosférica.
La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Un elemento de medida de presión industrial es el manómetro de Bourdon (Figura 1.3).
Este manómetro está formado, como se ha indicado, por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.
Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar esta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.
Las magnitudes señaladas por el manómetro pueden representar, en el caso de las conducciones hidráulicas, cuatro situaciones diferentes:
1. Presiones «estáticas» que corresponden a los casos en que el agua no se desplaza en la red, estando llenas sus tuberías.
2. Presiones «dinámicas», que son las obtenidas cuando el agua está circulando dentro de las tuberías.
3. Sobrepresiones, que son la parte de la presión dinámica que excede a la estática cuando esta es menor que ella.
4. Presiones negativas, que son valores de la presión dinámica inferiores a la presión atmosférica.
1.2.3 Teorema general de la hidrostática
Figura 1.4 Presión hidrostática
Los líquidos no reciben presiones únicamente del exterior. También el propio líquido pesa y esa fuerza peso va siendo mayor a medida que la profundidad medida desde la superficie libre del líquido aumenta.
La diferencia de presión entre dos puntos de un mismo líquido es igual al producto del peso específico del líquido por la diferencia de niveles.
| Donde: | |
| P2, P1 | = presión hidrostática en los puntos 2 y 1 respectivamente en N/m2. |
| h2, h1 | = profundidad a la que se encuentran los puntos 2 y 1 respectivamente. |
| γ | = peso específico del fluido, N/m3. |
1.a Todos los puntos situados a igual distancia de la superficie libre de un líquido, o sea, los situados en el mismo plano horizontal, tienen la misma presión.
2.a Todos los puntos de la superficie libre de un líquido están a la misma altura y, por tanto, la superficie es plana y horizontal.
3.a De la ecuación P = d·g·h se deduce que la presión aumenta con h; es decir, con la profundidad.
1.2.4 El principio de los vasos comunicantes
Si se tienen varios recipientes comunicados y se vierte un líquido en uno de ellos, este se distribuirá entre todos de tal modo que, independientemente de sus capacidades, el nivel de líquido en unos y otros recipiente sea el mismo. Este es el llamado principio de los vasos comunicantes, que es una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática.
Figura 1.5 Vasos comunicantes
Si se toman dos puntos A y B situados en el mismo nivel, sus presiones hidrostáticas han de ser las mismas, luego si pA = PB necesariamente las alturas hA y hB de las respectivas superficies libres han de ser idénticas hA = hB.
1.2.5 El principio de Pascal
Toda presión ejercida sobre la superficie libre de un líquido en reposo se transmite íntegramente y con la misma intensidad a todos los puntos de la masa líquida y de las paredes del recipiente.
• La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal. Consiste en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el fluido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1, la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma instantánea a todo el resto del líquido; por tanto, será igual a la presión p2 que ejerce el líquido sobre el émbolo de mayor sección S2, es decir: p1 = p2 con lo que p1·S1 = p2·S2 y por tanto: Si la sección S2 es veinte veces mayor que la S1, la fuerza F1 aplicada sobre el émbolo pequeño se ve multiplicada por veinte en el émbolo grande. La prensa hidráulica es una máquina simple semejante a la palanca de Arquímedes, que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial.
Figura 1.6 Algunas aplicaciones del principio de Pascal
