Suministro, distribución y evacuación interior de agua sanitaria

Primera edición, 2012

© 2012 Albert Soriano Rull, Francisco J. Pancorbo Floristán

Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY

Maquetación: O3 BCN Packagers, SL

Corrección: Laia Moreno

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ISBN: 978-84-267-1778-8

D.L.:

Impreso en

Printed in Spain

ÍNDICE

Hidráulica de las conducciones

1.1 Hidráulica. Generalidades

1.1.1 Masa y densidad

1.1.2 Peso específico

1.1.3 Viscosidad

1.1.4 Tensión superficial y capilaridad

1.2 Hidrostática

1.2.1 Concepto de presión

1.2.2 Presión hidrostática

1.2.3 Teorema general de la hidrostática

1.2.4 El principio de los vasos comunicantes

1.2.5 El principio de Pascal

1.2.6 El principio de Arquímedes

1.3 Hidrodinámica

1.3.1 Definiciones y conceptos

1.3.2 Ley de continuidad

1.3.3 Alturas geométricas, piezométrica y cinética

1.3.4 Teorema de Bernoulli

1.3.5 Movimiento del agua a presión en tuberías

1.3.6 Pérdidas de carga lineales

1.3.6.1 Fórmula de Flamant

1.3.6.2 Número de Reynolds

1.3.6.3 Rugosidad de las tuberías

1.3.6.4 Fórmula de Colebrook-White

1.3.6.5 Pérdidas de carga localizadas

1.3.7 Golpe de ariete

1.3.7.1 Fórmulas de Michaud y Allievi

1.3.8 Código técnico español y golpe de ariete

Físico-química del agua

2.1 Características físicas del agua

2.1.1 Caracteres organolépticos

2.2 Características químicas del agua

2.3 Otras propiedades físico-químicas del agua

2.3.1 Celda electroquímica

2.4 Corrosión

2.4.1 Corrosión electroquímica

2.4.2 Efectos indeseables de la corrosión

2.4.3 Mecanismo de la corrosión

2.5 Tipos de corrosión

2.5.1 Por la naturaleza de la substancia corrosiva

2.5.2 Por los mecanismos de corrosión

2.5.2.1 Corrosión galvánica

2.5.3 Por la apariencia del metal corroído

2.5.4 Protección contra la corrosión

2.6 Dureza del agua

2.7 Índices de estabilidad del agua

2.7.1 Índice de saturación de Langelier (IS)

2.7.2 Índice de estabilidad de Ryznar (IR)

2.7.3 Índice de Lucey

2.8 Incrustaciones

2.8.1 Mecanismo de la incrustación

Anexo al capítulo 2. Características corrosivas o incrustantes

Tratamientos domésticos y terciarios del agua

3.1 Tratamientos clásicos

3.1.1 Aireadores

3.1.2 Filtración

3.1.3 Dosificadores de inhibidores

3.1.4 Protección catódica contra la corrosión

3.1.5 Descalcificadores

3.1.6 Desmineralización parcial

3.1.7 Osmosis inversa (desmineralización total)

3.1.8 Filtración con carbón activo

3.1.9 Cloración

3.1.10 Erradicación térmica (desinfección térmica ocasional)

3.2 Desinfección de la Legionella

3.2.1 Hipercloración

3.2.2 Desinfección térmica (sobrecalentamiento del agua)

3.3 Nuevas aplicaciones

3.3.1 Enriquecimiento en gas carbónico

3.3.2 Enriquecimiento en oxígeno

3.3.3 Carbón activo más resina intercambiadora de iones

3.3.4 Ozonización

3.3.5 Ionizadores cobre-plata

3.4 Descalcificadores no convencionales PWT

3.4.1 Descalcificadores PWT sin alimentación eléctrica

3.4.1.1 Imanes permanentes

3.4.2 Descalcificadores PWT con alimentación eléctrica

3.4.2.1 Electromagnéticos (solenoides)

3.4.2.2 Electrónicos

3.4.2.3 Electrolíticos

3.4.2.4 Electrostáticos

3.5 Otros tratamientos

3.5.1 Tratamientos mixtos compuestos

3.5.2 Ultrasonidos y sus aplicaciones

3.5.2.1 Inactivación microbiana por ultrasonidos

3.5.2.2 Aplicación en bañeras de hidromasaje

3.5.3 Unidades de pasteurización

Captación, tratamiento y distribución del agua en origen

4.1 Instalaciones de captación y tratamiento del agua

4.1.1 Captación del agua

4.1.1.1 Aguas superficiales

4.1.1.2 Manantiales

4.1.1.3 Aguas subterráneas

4.1.1.4 Desalinización y otros recursos

4.2 Tratamiento del agua en origen

4.2.1 Desbaste y filtrado

4.2.2 Preoxidación

4.2.3 Coagulación-Floculación

4.2.4 Sedimentación-Decantación

4.2.5 Filtración

4.2.6 Absorción

4.2.7 Desinfección

4.2.8 Otros tratamientos

4.3 Distribución del agua – Redes de abastecimiento

4.3.1 Tipos de tubería

4.3.1.1 Tuberías de impulsión-distribución

4.3.1.2 Tuberías principales o arterias

4.3.1.3 Tuberías secundarias

4.3.2 Redes de distribución

4.3.2.1 Red ramificada

4.3.2.2 Red mallada

Red Mallada

Red Ramificada

4.3.2.3 Red mixta

4.3.3 Configuración de las redes de abastecimiento según su estructura

4.3.3.1 Redes de un solo piso

4.3.3.2 Redes escalonadas

4.3.3.3 Redes por impulsión

4.3.4 Tipología de los principales elementos de las redes de distribución exterior

4.3.4.1 Depósitos

4.3.4.2 Tuberías

4.3.4.3 Valvulería

4.3.4.4 Elementos complementarios

Instalaciones de suministro y distribución de agua sanitaria

5.1 Descripción, diseño y tipología

5.1.1 Acometidas y tipología de suministro

5.1.1.1 Acometidas y suministro mediante contador general único

5.1.1.2 Acometidas y suministro mediante contadores aislados

5.1.1.3 Acometidas y suministro mediante contadores divisionarios

5.1.1.4 Consideraciones particulares

5.2 Estructura de las instalaciones interiores

5.2.1 Acometidas

5.2.2 Instalación general

5.2.2.1 Dispositivos de protección en la instalación general

5.2.2.1.1 Filtro general

5.2.2.1.2 Válvulas de retención o antirretorno

5.2.2.1.3 Baterías de contadores divisionarios

5.2.2.1.4 Tuberías ascendentes - montantes

5.2.2.1.5 Distribuidor principal

5.2.3 Instalación particular

5.2.3.1 Sistemas de distribución interior

5.2.3.1.1 Recorrido horizontal por la parte alta del local o cuarto húmedo

5.2.3.1.2 Sistemas de distribución interior mediante «tes»

5.2.3.1.3 Sistemas de distribución interior mediante «distribuidores»

5.2.3.1.4 Sistemas de distribución por colector/es individuales

5.2.3.1.5 Sistemas de distribución por colector/es centralizado/s

5.3 Suministro mediante equipos de sobreelevación

5.3.1 Equipos de presión convencionales: hidroneumáticos

5.3.2 Pequeños equipos de presión constante

5.3.3 Equipos con variador de velocidad

5.3.4 Normativa

5.3.5 Variantes en el suministro con equipos de presión

5.3.6 Suministro mediante depósitos elevados

5.3.7 Suministro de agua para instalaciones contra incendios

5.4 Suministros especiales – Redes con intervención de fluxores

5.5 Criterios generales de ejecución y montaje

5.6 Criterios particulares de ejecución y montaje

5.6.1 Instalación y montaje de la red de tuberías

5.6.1.1 Tuberías enterradas

5.6.1.2 Tuberías vistas

5.6.1.3 Tuberías ocultas

5.7 Prueba de las instalaciones terminadas

5.8 Componentes de las instalaciones de agua fría sanitaria

5.8.1 Tuberías, accesorios y sus uniones

5.8.1.1 Tuberías de naturaleza metálica

5.8.1.1.1 Tuberías de acero galvanizado

5.8.1.1.2 Tuberías de acero inoxidable

5.8.1.1.3 Tuberías de cobre

5.8.1.2 Consideraciones especiales relativas a los materiales metálicos 168

5.8.1.3 Tuberías de naturaleza plástica

5.8.1.3.1 Tuberías de polietileno (PE)

5.8.1.3.2 Tuberías de polietileno reticulado (PE-X)

5.8.1.3.3 Tuberías de polipropileno (PP-R y PPR-CT)

5.8.1.3.4 Tuberías de polibutileno (PB)

5.8.1.3.5 Tuberías multicapa (MC)

5.8.1.4 Marcado y trazabilidad de las tuberías plásticas

5.8.2 Aislamientos para tuberías

5.8.2.1 Normativa

5.8.2.2 Materiales utilizados para el aislamiento de tuberías

5.8.2.3 Formato de los materiales utilizados como aislamiento

5.8.2.4 Proceso de trabajo para el aislamiento de tuberías de pequeño diámetro

5.8.2.5 Protección de tuberías ocultas y embebidas o empotradas bajo tabique, suelos y/o techos técnicos

5.8.2.6 Protección exterior de tuberías vistas y en superficie

5.8.3 Elementos para la fijación de tuberías

5.8.3.1 Normativa

5.8.3.2 Tipología de los elementos utilizados para la fijación de tuberías

5.8.4 Válvulas de pasoy dispositivos de control y regulación

5.8.4.1 Partes de una válvula

5.8.4.2 Denominación de las válvulas

5.8.4.3 Válvulas de paso

5.8.4.4 Válvulas y dispositivos para control y regulación

5.8.5 Contadores

5.8.5.1 Tipología de contadores de agua

5.8.5.2 Características de funcionamiento e introducción a la metrología específica

5.8.6 Bombas y equipos para la presurización del agua

5.8.6.1 Bombas centrífugas. Funcionamiento

5.8.6.2 Partes principales de una bomba centrífuga

5.8.6.3 Funcionamiento y arranque de una bomba

5.8.6.4 Parámetros de selección de una bomba. Curvas de trabajo

5.8.6.5 Conexión de varias bombas (Serie y Paralelo)

5.8.6.6 Elementos complementarios de un equipo hidroneumático

5.8.6.7 Variadores de frecuencia en bombas y grupos de presión

Anexo 1

Anexo 2

Aparatos sanitarios y griferías

6.1 Aparatos sanitarios

6.1.1 Lavabos y lavamanos

6.1.2 Inodoros

6.1.3 Bidés

6.1.4 Bañeras y spas

Bañeras de material sintético

Bañeras de plancha de acero esmaltada

Bañeras de hierro fundido esmaltado

6.1.5 Platos de ducha

6.1.6 Cabinas de hidromasaje

6.1.7 Fregaderos

6.1.8 Instalación eléctrica de las zonas húmedas

6.2 Área de actividad y zona de circulación

6.3 Griferías

6.3.1 Griferías simples

6.3.2 Griferías mezcladoras

6.3.2.1 Mezcladores bimando

6.3.2.2 Mezcladores monomando

6.3.2.3 Mezcladores termostáticos

6.3.2.4 Griferías temporizadas

6.3.2.5 Griferías electrónicas

Cálculo de las instalaciones de agua fría

7.1 Bases del cálculo hidráulico

7.2 Determinación del caudal de cálculo (Qc)

7.3 Expresiones del coeficiente de simultaneidad

7.3.1 Métodos de cálculo del coeficiente de simultaneidad

7.3.1.1 Normativa francesa

7.3.1.2 Norma Europea

7.3.1.3 Normas Españolas

7.3.1.4 Cálculo de probabilidades

7.4. Cálculo según Norma UNE 149201

7.5 Cálculo de la pérdida de carga

7.5.1 Pérdidas de cargas continuas o lineales

7.5.2 Pérdidas de carga aisladas

7.6 Mecánica del cálculo

7.7 Cálculo grupos de presión

7.8 Ejemplos de cálculo

7.8.1 Ejemplo 1. Edificio de viviendas

7.8.2 Ejemplo 2. Edificio de oficinas

7.8.3 Ejemplo 3. Edificio de viviendas y aula de formación

7.9 Dimensionado y características de la red de agua caliente

7.10 Apéndice I (Tablas de caudal probable)

7.11 Apéndice II (Curvas de caudales probables)

Instalaciones de evacuación interior de aguas residuales y pluviales

8.1 Descripción, diseño y tipología

8.1.1 Red separativa

8.1.2 Red seudoseparativa o mixta

8.1.3 Red de evacuación forzada

8.2 Estructura de las instalaciones interiores de evacuación de aguas por gravedad

8.2.1 Pequeña evacuación

8.2.2 Red de bajantes

8.2.3 Red general de colectores

8.2.4 Acometida

8.2.5 Fosa séptica

8.2.6 Red de ventilación

8.2.6.1 Tipos de redes de ventilación

8.3 Estructura de las instalaciones interiores de evacuación de aguas por vacío

8.3.1 Funcionamiento y componentes de la red de evacuación de aguas residuales por vacío

8.3.1.1 Estación de vacío

8.3.1.2 Válvula de interfase

8.3.1.3 Depósito de vertidos o recogida de aguas residuales

8.3.1.4 Los aparatos - Inodoros por vacío, principio de funcionamiento

8.3.1.5 La red de tuberías

8.3.2 Funcionamiento de la red de evacuación de aguas pluviales por vacío – drenaje sifónico

8.4 Prueba de las instalaciones terminadas

8.4.1 Pruebas parciales

8.4.2 Pruebas totales

8.4.3 Otras pruebas no contempladas en el HS5 del CTE

8.5. Componentes de las instalaciones de evacuación interior de agua en edificios

8.5.1 Tuberías para evacuación de aguas residuales y pluviales

8.5.1.2 Tuberías plásticas para evacuación de agua

8.5.1.2.1 Policloruro de vinilo(PVC)

8.5.1.2.2 Tubería de Polipropileno (PP-HT)

8.5.1.2.3 Marcado e identificación de tuberías - trazabilidad

8.5.2 Canalones para la recogida de aguas pluviales

8.5.3 Arquetas y sumideros

8.5.3.1 Arquetas

8.5.3.2 Sumideros

8.5.4 Válvulas, sifones y dispositivos de control

8.5.4.1 Válvulas de descarga para aparatos sanitarios y/o limpieza

8.5.4.2 Cierres hidráulicos/Sifones:

8.5.5 Separadores de grasas

8.5.6 Sistema de impulsión forzada – bombas y pozos de bombeo

8.5.6.1 Arqueta, pozo o receptáculo de vertido de aguas residuales

8.5.6.2 Sistema de control de nivel - hidroniveles, sondas o boyas

8.5.6.3 Sistema de acoplamiento y anclaje de la bomba

8.5.6.4 Estaciones de bombeo

8.6 Cálculo de instalaciones de evacuación de agua

8.6.1 Cálculo de instalaciones de evacuación de agua, según apartado HS5 del CTE

8.6.2 Cálculo de derivaciones individuales

8.6.3 Cálculo del colector interior de derivación

8.6.4 Cálculo de los bajantes de aguas residuales

8.6.5 Cálculo de los colectores de aguas residuales

8.6.6 Cálculo de las arquetas de aguas residuales

8.7 Redes de aguas pluviales

8.7.1 Cálculo del régimen pluviométrico característico

8.7.2 Método de dimensionado

8.7.3 Cálculo de bajantes de aguas pluviales

8.7.4 Cálculo de los colectores generales de aguas pluviales

8.7.5 Cálculo de los colectores mixtos residuales-pluviales

8.7.6 Cálculo de las arquetas de aguas pluviales

8.7.7 Cálculo de los canalones y bandejas de recogida de aguas pluviales

8.7.8 Cálculo de los sumideros y calderetas de suelo para recogida de aguas pluviales

8.8 Redes de ventilación

8.8.1 Dimensionado de la red o tramo de ventilación primaria

8.8.2 Dimensionado de la red de ventilación secundaria

8.8.3 Dimensionado de la red de ventilación terciaria

8.9 Dimensionado de las acometidas

8.10 Dimensionado del equipo de evacuación forzada

8.10.1 Introducción – Parámetros iniciales

8.10.2 Caudal de la bomba

8.10.3 Presiones de actuación

8.10.4 Diámetro de las conducciones de impulsión

8.10.5 Volumen del pozo o depósito de vertido

8.10.6 Potencia eléctrica de la bomba

8.10.7 Cálculo de instalaciones de evacuación de agua en edificios, según Norma UNE 12056

8.10.7.1 Red de aguas residuales

8.10.7.1.1 Caudal de evacuación de aguas residuales

8.10.7.1.2 Diámetro de los tramos de pequeña evacuación

8.10.7.1.3 Diámetro de los bajantes de aguas residuales

8.10.7.1.4 Diámetro de los colectores de aguas residuales

8.10.7.2 Red de aguas pluviales

8.10.8 Cálculo de instalaciones de evacuación agua por vacío

8.10.8.1 Red de aguas residuales

8.10.8.2 Red de aguas pluviales

8.10.8.3 Volumen de evacuación y número de sumideros por cubierta

8.10.8.4 Red de tuberías

8.10.9 Ejemplo de cálculo

8.10.9.1 Ejemplo de cálculo de una instalación de evacuación por gravedad, en viviendas, según criterios del Código Técnico de la Edificación (DB HS5 – CTE)

8.10.9.1.2 Criterios iniciales

8.10.9.1.3 Dimensionado de la red de pequeña evacuación

8.10.9.1.4 Dimensionado de la red de bajantes de aguas residuales

8.10.9.1.5 Dimensionado de la red de bajantes de aguas pluviales

8.10.9.1.6 Dimensionado de la red del tramo de ventilación primaria

8.10.9.1.7 Dimensionado de la red del tramo de ventilación secundaria

8.10.9.1.8 Dimensionado de colectores generales y colector mixto

Instalaciones para un consumo sostenible. Reutilización de aguas grises y pluviales

9.1 El agua, un recurso energético natural, limitado y escaso

9.2 Equipos y dispositivos habituales en la red interior de suministro de agua

9.3 Equipos y dispositivos habituales de la red interior de evacuación de agua

9.4 Reutilización de aguas grises en edificios

9.4.1 La normativa vigente

9.4.2 Criterios de calidad de las aguas grises tratadas

9.4.3 Sistemas centralizados de reutilización de aguas grises

9.4.4 Sistemas descentralizados de reutilización de aguas grises

9.4.5 El sistema de control y tratamiento del agua en los equipos de reutilización de aguas grises

9.4.6 Criterios de diseño y cálculo de la instalación

9.5 Reutilización de aguas pluviales en edificios

9.5.1 Funcionamiento

9.5.2 Componentes

9.5.2.1 El filtro de agua pluvial

9.5.2.2 El depósito de pluviales

9.5.2.3 El sistema de tratamiento del agua en la cisterna

9.5.3 Cálculo del sistema de reutilización de aguas pluviales

Mantenimiento de las instalaciones de distribución y suministro de agua sanitaria. Calificación energética de los edificios

10.1 Definiciones

10.2 Tipos de mantenimiento

10.3 El libro del Edificio

10.3.1 Instalaciones de saneamiento

10.3.1.1 Bajantes de aguas residuales y pluviales

10.3.2 Instalaciones de suministro de agua

10.3.2.1 Acometidas

10.3.2.2 Depósitos y grupos de presión

10.3.2.3 Contadores

10.3.2.4 Montantes

10.3.2.5 Instalación interior

10.3.3 Utilización y mantenimiento de instalaciones de reutilización de aguas grises y pluviales

10.4 Productos defectuosos. Garantías

10.5 Inspección Técnica del Edificio (ITE)

10.6 Código Técnico de la Edificación (CTE)

10.7 Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE)

10.8 Calificación energética de los edificios

10.8.1 ACS y emisiones de CO₂

10.8.2 Ciclo del agua y emisiones de CO₂

Consumo energético del ciclo integral del agua

10.8.3 Aspectos medioambientales de los productos que utilizan energía y agua

Simbología y esquemas

11.1 Simbología en instalaciones de suministro de agua

11.1.1 Simbología según HS4 - CTE-1

11.1.2 Esquema de red con contador general según HS4 - CTE

11.1.3 Esquemas de red con contadores aislados según HS4 - CTE

11.1.4 Simbología orientativa, no normalizada por CTE

Glosario

Bibliografía

Agradecimientos

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:

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:

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:

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 temperatura

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.

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.

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:

1.2.3 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.

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 p_A = P_B necesariamente las alturas h_A y h_B de las respectivas superficies libres han de ser idénticas h_A = h_B.

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

1.2.6 El principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un líquido, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del líquido desalojado.

En otras palabras, si sumergimos un objeto dentro de un líquido, este empuja el objeto hacia arriba con una fuerza equivalente al peso del líquido que desaloja el objeto al sumergirse. Por eso cuando nos sumergimos en el agua, tenemos la sensación de pesar menos.

La ecuación anterior es la expresión matemática del Principio de Arquímedes. Es importante aclarar que cuando nos referimos al peso del cuerpo sumergido (P_cs) estamos hablando del peso aparente del objeto cuando está sumergido dentro del líquido.

Se insiste que el concepto de «peso aparente» se refiere al «peso supuesto» que posee un cuerpo que se encuentra bajo la superficie de un fluido.

Al sumergir totalmente un cuerpo en un líquido, puede ocurrir que el empuje que recibe dicho cuerpo sea menor, igual o mayor que su peso. Si el empuje que recibe el cuerpo al sumergirse totalmente es menor que su peso, el cuerpo se hunde hasta el fondo; si es igual a su peso, el objeto flota en el seno de la masa líquida; y si es mayor a su peso, flota en la superficie del líquido sumergiéndose la porción del cuerpo que hace que se equilibren peso y empuje, es decir que el empuje que recibe la parte sumergida iguale el peso del cuerpo.

Figura 1.7 Principio de Arquímedes

1.3 Hidrodinámica

La mayoría de los problemas que se plantean en las instalaciones aparecen cuando el fluido se desplaza, es decir se trata de problemas hidrodinámicos. No podemos olvidar, sin embargo, que en algunos casos, por ejemplo cuando no existe consumo, las presiones estáticas sobre elementos de la instalación son máximas.

Vamos a ocuparnos por tanto del movimiento de los fluidos haciendo una observación importante: en Hidrostática el comportamiento de los fluidos reales es idéntico al de los fluidos perfectos o ideales, por el contrario en Hidrodinámica es básico considerar que se trata de fluidos reales, en los que debido a su viscosidad aparecen fuerzas entre las partículas fluidas y entre las capas del fluido y las paredes del contorno. Las partículas del fluido en movimiento, al contrario de lo que sucede con los sólidos, pueden tener diferentes velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones. Por ser el único fluido que utilizaremos nos referiremos, en nuestro caso, al agua.

La circulación por el interior de la tubería se logra siempre por alguno de los medios siguientes.

Circulación por gravedad

Cuando el sentido del líquido es descendente y se aprovecha el propio desnivel de la tubería.

Circulación impulsada

Cuando el sentido del líquido es ascendente y tiene que vencerse el desnivel de la tubería, efectuándose la impulsión por medio de un grupo de bombeo.

Circulación por gravedad e impulsión

En aquellos casos que, circulando el líquido en sentido descendente, se requiere además un aumento de presión como consecuencia de desnivel insuficiente.

Las instalaciones, en sus aplicaciones más habituales, pueden clasificarse en:

1.3.1 Definiciones y conceptos

Régimen estacionario

Un fluido discurre en régimen estacionarlo cuando su velocidad en un mismo punto es siempre igual, aunque varíe de unos puntos a otros.

Líneas de corriente

Línea imaginarla continua, tangente en cada punto al vector velocidad de la partícula que en un instante determinado pasa por dicho punto.

Las líneas de corriente no pueden cortarse (excepto en puntos singulares como fuentes o sumideros), pues entonces una misma partícula pertenecería a la vez a ambas y tendría dos direcciones simultáneas de movimiento.

Tubo de corriente o superficie de corriente

Es el espacio limitado por las líneas de corriente que pasan por el contorno de una superficie situada en el seno de un líquido.

Vena líquida

Volumen de líquido delimitado por el tubo de corriente. La superficie de contorno limitante puede ser una pared sólida (tubería), el propio líquido o la atmósfera.

Régimen laminar y turbulento

El régimen estacionario es laminar cuando las capas del fluido se deslizan, como si se tratase de verdaderas láminas fluidas. El régimen es turbulento cuando en la corriente hay formación de torbellinos o remolinos.

1.3.2 Ley de continuidad

Las diversas velocidades con las que circula un fluido por un tubo de corriente son inversamente proporcionales a las secciones de este.

El producto de la velocidad del fluido por el área de la sección recta del tubo de corriente es constante.

V₁·S₁ = V₂·S₂; V₁/V₂ = S₂/S₁ igualdades que demuestran la ley de continuidad.

El volumen de líquido que entra es igual al volumen de líquido que sale en la unidad de tiempo (ver figura 1.8).

El caudal se mantiene constante.

Caudal = velocidad x sección.

Q = V·S = cte. (1.3.1)

Esto significa que al disminuir la sección del tubo la velocidad del líquido aumenta.

Q = (cm/s) cm² = cm³/s

Caudal es el volumen de líquido que circula por unidad de tiempo. También se utilizan los m³/hora o los litros/segundo.

En una tubería por la que pasa un fluido con régimen laminar, la superficie de contacto del fluido con el conducto es un tubo, cumpliéndose en la conducción por lo tanto la «ley de continuidad».

1.3.3 Alturas geométricas, piezométrica y cinética

Supongamos un fluido en movimiento y consideramos una porción de él, limitada por líneas de corriente (figura 1.8). En un punto A₁, en el que la sección normal a la línea de corriente que pasa por A₁ es S₁, el líquido tiene una velocidad de V₁ y está sometido a una presión P₁.

Altura geométrica

h₁ es la altura en metros del punto considerado en el agua sobre un plano horizontal arbitrario X.

Altura piezométrica

h’ es la altura del fluido que sería necesaria para producir la presión hidrostática P₁. Por el teorema fundamental de la hidrostática P₁ y h’₁ vienen ligados por la ecuación:

P₁ = h’₁·ρ·g

de donde h’₁ = P₁/ρ·g. siendo ρ la masa específica o densidad absoluta del fluido.

Altura cinética

h”₁ es la altura que ha de recorrer un cuerpo que se deja caer en el vacío con velocidad inicial nula para que alcance la velocidad V₁ Por consiguiente:

Se denomina altura cinética a la expresión:

Siendo V₁ la velocidad (m/s) del agua y g la aceleración de la gravedad.

Las sumas de las tres alturas es la llamada «carga del fluido» (H) que se mide en unidades de longitud.

1.3.4 Teorema de Bernoulli

Expresa que en el movimiento de un líquido perfecto, la carga total H, suma de las tres alturas: geométrica, piezométrica y cinética, se mantiene constante a lo largo de cada trayectoria singular (figura 1.9).

Pérdida de carga

Los líquidos no son perfectos, sino que siempre son viscosos en mayor o menor grado, desarrollándose en ellos, al moverse, esfuerzos tangenciales que influyen notablemente en los caracteres del movimiento. La carga H no se mantiene constante, sino que una parte se emplea en vencer las resistencias que se oponen al movimiento del líquido. La parte H gastada en vencer las resistencias al movimiento del agua constituye la pérdida de carga.

1.3.5 Movimiento del agua a presión en tuberías

El caso que nos interesa es el movimiento del agua a presión a lo largo de las tuberías. Bajo la acción de la carga el agua se pone en movimiento, adquiriendo velocidad creciente. Simultáneamente a este aumento de velocidad se desarrollan resistencias que se oponen al movimiento y llega un momento en que la velocidad ya no aumenta y el agua llena la sección del tubo.

Figura 1.8 Teorema de Bernoulli

En este momento la diferencia de carga total entre dos secciones cualquiera está equilibrada por las resistencias al movimiento del tramo considerado.

Todo fluido real pierde energía al circular de un punto a otro por una conducción. Esta pérdida de energía se debe al rozamiento que se produce entre el fluido y las paredes de la conducción así como por el paso del mismo a través de los obstáculos que presenta la tubería: cambios de dirección, estrechamientos o cambios de sección, válvulas, derivaciones, manguitos, etc.

Así pues, existen dos clases de pérdidas de carga:

1.3.6 Pérdidas de carga lineales

En el movimiento que consideramos, las pérdidas de carga, como hemos dicho, son de dos clases: una, debida al rozamiento con las paredes del tubo, es de tipo continuo y uniforme, a la que se denomina pérdida de carga lineal. Otra clase es la formada por resistencias aisladas y localizadas siendo debidas a perturbaciones de la corriente con remolinos y desprendimientos siendo típicas las que se producen en accesorios intercalados en la instalación (codos, tes, válvulas, etc.).

El movimiento permanente uniforme del agua en tuberías se encuentra relacionado con el Número de Reynolds, la Rugosidad, el Radio Hidráulico, la Pérdida de Carga Unitaria y la Presión, por lo que se pretende conseguir es una ecuación que relacione entre sí los distintos factores que definen el movimiento.

En la figura 1.9 se representa un perfil hidráulico de una tubería llena de un fluido en movimiento uniforme, en la que se ha separado un tramo de longitud L, limitado por las secciones A y B, cuyas presiones son p₁ y p₂, respectivamente.

La altura geométrica representa la elevación de la partícula de fluido en cada punto con respecto a un plano de referencia Z.

La altura piezométrica se obtiene al sumar a la elevación Z, la altura correspondiente a la energía potencial de presión P/γ. Recibe este nombre ya que es la altura hasta la que se elevaría el fluido en ese punto si colocáramos un piezómetro (aparato para medir el nivel del agua). El Plano de carga o energía total se obtiene sumándole a la altura piezométrica la altura correspondiente al termino cinético V²/2g.

Los fluidos en movimiento disipan una cierta cantidad de energía mecánica en forma de calor debido a la existencia de tensiones tangenciales entre las partículas fluidas generadas por la viscosidad del mismo. A esta energía disipada en forma de calor la llamaremos perdida de carga H.

La ecuación de Bernouilli para fluidos reales la expresaremos como:

Z₁ + p₁/γ + V₁²/2g = Z₂ + p₂/γ + V₂²/2g + ΔH    (1.3.4)

Figura 1.9 Altura geométrica, cinética y piezométrica

El sumando de Bernouilli: V²/2·g se mantiene constante por ser la velocidad media V constante, según la ecuación de continuidad, ya que el caudal es constante y la sección también. Pueden verse las líneas piezométricas y de energía y el ángulo α que forma esta última con la horizontal. La altura HB sería la pérdida de carga total habida entre A y B, entre los que la verdadera longitud es L (no la longitud horizontal). De acuerdo con la definición de pérdida de carga unitaria J = HB/L.

Las leyes basadas en observación y la experimentación, en general para un flujo turbulento, establecen que la pérdida de carga H_B:

• Aumenta en general con la rugosidad de la pared.

• Es directamente proporcional a la superficie mojada: π D L.

• Varía en proporción inversa al tamaño del diámetro: 1/D^X.

• Varía con alguna potencia «n» de la velocidad: Vⁿ.

• Varía con alguna potencia «v» de la viscosidad cinemática:

Combinando estos factores se obtiene la ecuación Básica:

Si hacemos x = m + 1, se obtiene la ecuación de Darcy-Weisbach:

Dando, a propuesta de Chezy, a «n» el valor 2 y a propuesta de Darcy a «m» el valor 1 y multiplicando y dividiendo por 2g se obtiene:

ecuación de Darcy-Weisbach que es la expresión básica de las pérdidas de carga en los conductos circulares trabajando a sección llena. Haciendo (K·2g) = λ: