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UNIDAD Nº 7 INSTALACIONES DE AGUA CALIENTE El sistema de abastecimiento de agua caliente esta constituido por un calentador con o sin tanque acumulador, una tubería que transporta el agua a los diferentes aparatos que lo requieren y a continuación una tubería de retorno del agua caliente que devuelve al calentador el agua no utilizada, esta tubería de retorno no es requerida en pequeñas instalaciones. Con el retorno se mantiene una circulación constante y el agua caliente sale en seguida de los aparatos sin dar primero salida al agua fría que habría permanecido en las tuberías, si no existe retorno. I- TEMPERATURA DE UTILIZACION DEL AGUA CALIENTE El agua caliente se utiliza con diferentes fines, y las temperaturas recomendadas para cada caso son variables, dependiendo además de otros factores como clima, o costumbres de las personas, la siguiente tabla muestra diferentes temperaturas para los usos indicados. USO
TEMPERATURA
Higiene corporal Lavado de ropa
45 – 55º C 60 – 70º C
Usos medicinales
90 – 100º C
Siendo diferente la temperatura de uso del agua caliente y fácil hacerla llegar a los diferentes aparatos a la temperatura adecuada, es inevitable fijar una temperatura de producción y utilizar válvulas de combinación para obtener la temperatura requerida en cada caso. II- OBJETIVOS DE DISEÑO DE INSTALACIONES DE AGUA CALIENTE El diseño de instalaciones de abastecimiento de agua caliente tiene los siguientes objetivos: 1) Respetar las especificaciones de los reglamento existentes. 2) Elaborar un diseño seguro y satisfactorio en funcionamiento y servicio. 3) Utilizar la fuente de calor que sea más económica de obtener. 4) Economía y durabilidad de las instalaciones. 5) Una efectiva operación y mantenimiento de las instalaciones terminadas. III- GENERADORES DE AGUA CALIENTE - De acuerdo al elemento utilizado en la producción de agua caliente, los generadores o calentadores se clasifican en: Eléctricos, a gas, a petróleo, o a vapor - Los calentadores también pueden ser Instantáneos, o con tanques de almacenamiento. La selección del tipo de calentador a utilizar depende de los siguientes factores: 1) Tamaño de las Instalaciones En pequeñas y medianas instalaciones se puede utilizar calentadores eléctricos ó a gas, generalmente en grandes instalaciones se usan calentadores a petróleo ó a vapor. En edificios en que se dispone de espacio suficiente y condiciones adecuadas como buena ventilación, ambientes separados, etc. se puede utilizar calentadores a petróleo ó a vapor, pero si se tiene problemas de espacio se pueden sustituir por calentadores a gas ó eléctricos.
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2) Agente de Calor o Combustión Si el edificio cuenta con la producción de un agente de calor que es utilizado para otros fines, es recomendable usar el mismo para el calentador, logrando economía en la operación del equipo. Esto sucede frecuentemente en instalaciones industriales, hospitales, etc. en los cuales el vapor o petróleo se utiliza como agente de calor para otros usos. 3) Costo De Operación Y Mantenimiento Es necesario tratándose de medianas y grandes instalaciones realizar un estudio económico de lo que representa el costo de operación utilizando diferentes fuentes de calor, de acuerdo a la ubicación del local, costo del combustible o energía calorífica, vida útil del equipo y costo de mantenimiento del equipo, ya que en lugares en los que se cuenta con personal y materiales de mantenimiento por la diversidad del equipo instalado baja el costo de mantenimiento; mientras que en edificios que por su función no cuentan con equipos de mantenimiento, serán económicos aquellos equipos que necesitan mantenimiento mínimo compensando su mayor costo de operación. 4) Tipo de Edificación Es necesario considerar el tipo de local, ya que en algunos casos no es recomendable instalar equipos que producen vibraciones o ruidos, o que por su naturaleza el agente de calor sea un peligro para la integridad de los ocupantes. 5) Existencia de equipos Aunque sea un factor relativo y variable, es conveniente que el diseñador conozca el mercado a fin de hacer una buena selección de acuerdo a lo que sea factible adquirir en el mercado. Considerando todos estos factores el diseñador decidirá el tipo de calentador que deberá servir de fuente de producción de agua caliente. IV- DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD En las instalaciones de suministro de agua caliente son necesarios dispositivos de seguridad para aliviar las presiones peligrosas y temperaturas excesivas, con el fin de evitar quemaduras o la explosión de los tanques y daños a personas y propiedades. Las presiones se consideran peligrosas cuando sobrepasan las presiones de trabajo del agua para las que se diseñan los equipos y tuberías. Entre estos dispositivos se pueden mencionar: 1) Colocar una válvula de retención en la tubería de suministro de agua fría al calentador. 2) Se debe colocar una válvula de alivio de presión en un lugar efectivo en todo el suministro de agua caliente, con el fin de evitar la formación de presiones peligrosas. Esta debe colocarse para evitar una presión de 25 lbf/pulg 2 mas alta que la presión de servicio máxima bajo la cual el sistema puede operar en cualquier momento, pero en ningún caso debe exceder la presión de trabajo de 125 lbf/pulg2 , a menos que el sistema este diseñado para un servicio a una presión mas alta. Estas deben cerrarse automáticamente después de dejar escapar la presión excesiva y estar equipadas con palancas de prueba para su inspección y prueba periódica. Deben instalarse cerca del calentador o del tanque siendo indispensable que entre ella y el calentador o tanque nunca se instale una válvula de retención.
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3) Todo sistema de suministro de agua caliente debe tener instalada una válvula para alivio de temperatura o un dispositivo para la interrupción de la energía, para evitar que el agua pueda calentarse hasta una temperatura peligrosa. 4) Los tanques de almacenamiento de agua caliente deben instalarse de forma que sus marcas de presión estén en un lugar accesible para su inspección. V- DOTACION La dotación varia con el usuario y con el tipo de uso de los edificios, como referencia se muestran el siguiente cuadro. CUADRO Nº 1 DOTACION DIARIA DE AGUA CALIENTE TIPO DE SERVICIO
DOTACION
CASA DE HABITACIÓN RESIDENCIAS UNIDADES HABITACIONALES Hasta 100 Personas De 100 a 250 Personas Mas de 250 Personas EDIFICIOS DE DEPARTAMENTOS DE LUJO
100 Lts/Persona 120 Lts/Persona
Hasta 100 Personas
120 Lts/Persona
De 100 a 250 Personas Mas de 250 Personas HOSPITALES
110 Lts/Persona 100 Lts/Persona 120 Lts/cama
100 Lts/Persona 90 Lts/Persona 80 Lts/Persona
HOTELES DE LUJO CON 2 PERSONAS/CUARTO Con lavandería Segunda
120 Lts/Persona 100 Lts/Persona
Tercera
80 Lts/Persona
RESTAURANTES, CAFETERIAS Y COMEDORES INDUSTRIALES
10 Lts/comida
FABRICAS Baños de Obreros
20 Lts/Persona
Baños 100% obreros
50 Lts/Persona
LAVADO DE ROPA EN HOTELES E INTERNADOS
20 Lts/Persona
OFICINAS Y TIENDAS DE AUTOSERVICIO
7.5 Lts/Persona
La temperatura del agua caliente varia con el uso del agua, así por ejemplo para uso residencial la temperatura debe estar entre 45º C y 60º C, y el agua de mezclado (Entre la caliente y la fría) deben estar entre 38º C y 45º C para tener un uso satisfactorio.
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CUADRO Nº 2 DEMENDAS DE AGUA CALIENTE (Lts/hora) POR APARATO A UNA TEMPERATURA DE 60º C CASA DE APARTAMENTOS
CLUBS
GIMNASIOS
HOSPITAL
HOTEL
PLANTA INDUSTRIAL
EDIFICIO DE OFICINAS
RESIDENCIA PRIVADA
ESCUELAS
8
8
8
8
8
8
8
8
8
15
23
30
23
45
45
23
-
57
Tinas
75
75
110
75
110
110
-
75
-
Lavatrastos
55
190 – 570
-
190 – 750
75 – 380
75 – 380
-
55
75 – 380
Lavadero de cocina
55
75
-
75
75
75
-
38
75
Lavadora pequeña
38
100
-
100
-
-
-
75
100
Vertederos de pantry
20
40
-
40
-
-
-
20
40
Regaderas
300
550
850
300
850
850
-
300
850
Vertederos
75
75
-
75
75
75
60
60
75
(*) Consumo Máximo Probable (%)
0.30
0.30
0.40
0.25
0.25
0.40
0.30
0.30
0.40
(*) Capacidad del Calentador (%)
1.25
0.50
1.00
0.60
0.80
1.00
2.00
0.70
1.00
APARATO Lavamanos privado Lavamanos Publico
(*) En relación a la probable demanda máxima por hora
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CUADRO Nº 3 CONSUMO DE AGUA CALIENTE POR PERSONA EN VARIOS TIPOS DE EDIFICIOS A UNA TEMPERATURA: 60º C EXCEPTO EN RESTAURANTES A 80º C Agua Caliente (Lts/P/día)
Consumo Máximo Horario en relación al Consumo Diario
150
1/7
4
1/5
1/7
7.5
1/5
2
1/5
1/6
Fabricas y Talleres
20
1/3
1
2/5
1/8
Restaurantes
7 litros por comida y día
1/10
1/10
Restaurantes 3 comidas diarias
----
1/10
8
1/5
1/10
Restaurante 1 Comida
----
1/5
2
2/5
1/6
Clase de Edificio Viviendas Apartamentos Hoteles Oficina
Capacidad de Capacidad del Duración del Periodo Almacenamiento en Calentador en de Consumo Máximo Relación al Consumo Relación al por Horas Diario Consumo Diario
VI- METODOS DE CALENTAMIENTO DE AGUA Y TIPOS DE CALENTADORES Existen dos métodos de calentamiento de agua: 1) Calentamiento Directo Consiste en el calentamiento del agua por contacto directo con superficies expuestas a altas temperaturas del fuego y de los gases de chimenea, generadas por combustión o con contactos directos con superficies calentadas eléctricamente o por contactos con elementos calefactores eléctricos sumergidos, en este método las temperaturas pueden ser relativamente altas. 2) Calentamiento Indirecto Este método consiste en calentar el agua por contacto con superficies que sirven como un medio de transferencia o intercambio de calor del agua caliente a alta temperatura o del vapor de agua en el suministro de agua caliente. Con este método la superficies de calentamiento se sujetan a condiciones de temperatura mucho mas bajas de las que prevalecen en el método directo. Todos los calentadores de agua ya sea que apliquen métodos directos o indirectos de calentamiento, pueden clasificarse como calentadores con tanque o sin tanque de almacenamiento. Los calentadores sin tanque de almacenamiento están diseñados para calentar el agua fría a la temperatura del agua caliente estándar de suministro en un solo paso a trabes del calentador, de manera que pueda llevarse por tuberías de agua directamente del calentamiento a lo aparatos. Por lo contrario los calentadores con tanque de almacenamiento requieren del tanque para almacenar el agua, en los que el agua se calienta al pasar por espiral calentador y circula después hacia un tanque de almacenamiento, el calentador se denomina ”Calentador de agua de almacenamiento circulante”.
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VII- SELECCIÓN DEL CALENTADOR Y DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA CALIENTE La capacidad de producción del calentador se estima como una parte de la dotación diaria de agua caliente y se calcula de acuerdo a los porcentajes establecidos por la experiencia y estudios realizados por expertos y fabricantes. Se recomienda que en viviendas, hoteles y casas de apartamentos, donde el consumo de agua caliente es casi uniforme durante todo el día se utilice un calentador grande y un deposito pequeño, en fabricas y otros edificios en que el consumo máximo tiene una duración limitada es preferible usar un deposito grande y un calentador pequeño, así en los periodos de máximo consumo el calentador puede ir rellenando lentamente el deposito de agua caliente. CALENTADORES COMERCIALES MARCA
CAPACIDAD LITROS
GALONES
Helvex Cinsa
25, 38, 57, 76 25, 38, 57, 76, 71, 114, 152
6.5, 10, 15, 20 6.5, 10, 15, 20, 30, 40
Calorex
38, 57, 76, 114, 152, 227
6.5, 15, 20, 30, 40, 60
Magamex
25, 38, 57, 76, 114, 152
6.5, 10, 15, 20, 30, 40
Cuando las cantidades de agua requeridas exceden la capacidad de los calentadores, se pueden instalar varios en paralelo.
EJEMPLO
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CALENTADORES
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VIII- DISTRIBUCIÓN DE AGUA CALIENTE SISTEMAS Para tener una buena distribución de agua caliente y a la temperatura adecuada es necesario elegir el sistema más conveniente, teniendo en cuenta el tipo y tamaño de la instalación así como el edificio al que va a dar servicio. Básicamente existen tres sistemas de distribución de agua caliente: - Sistema Directo - Sistema con Circulación por Gravedad - Sistema Con Circulación Forzada Sistema de Distribución Directa Es utilizado en residencias o pequeñas instalaciones donde no existen grandes longitudes de tuberías o cuando por la función o categoría del edificio, no es exigente mantener el agua a una temperatura constante, debiendo esperar un pequeño tiempo para recibir en el aparato el agua a la temperatura adecuada, ya que al abrir la válvula se debe esperar a que se vacíe la tubería que lo une con el calentador. Elegido el tipo y capacidad del calentador consiste en diseñar una tubería con capacidad para la máxima demanda simultánea de agua caliente, desde el calentador hasta los diferentes aparatos sanitarios, considerando la presión de salida que exige la reglamentación vigente.
Calentador Agua fría
Sistema de Distribución con Circulación por Gravedad Dentro de estos sistemas existen dos variantes: a) Sistema Ascendente con Circulación por Gravedad Consiste en una red de tuberías de distribución que partiendo de la fuente de producción de agua caliente alimenta de abajo hacia arriba a los diferentes servicios formando alimentadores o columnas ascendentes, al final de cada una de las cuales se instala una tubería de retorno que regresa el agua enfriada al calentador. La circulación de agua se produce por la diferencia de peso o densidad entre la columna de agua mas caliente (Distribución) y la columna de retorno mas fría. b) Sistema de Arriba hacia Abajo con Circulación por Gravedad Consiste en instalar un solo alimentador que lleva el agua hasta la parte superior del edificio, en donde se distribuye en bajadas que alimentan los diferentes servicios de arriba hacia abajo. Los extremos inferiores de las bajadas se unen para llevar el retorno del agua enfriada a la fuente de producción.
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Estos dos sistemas son utilizados en medianas instalaciones donde las condiciones de edificación lo permitan, ya que no es muy aconsejable donde la longitud de la tubería, su diámetro y recorrido no permitan la velocidad que depende de la diferencia de peso en las tuberías de alimentación y retorno. Sistema de Distribución con Circulación Forzada Consiste una red ascendente o descendente de distribución de agua caliente desde la fuente de producción hasta los diferentes aparatos sanitarios y tuberías de retorno conectadas a los alimentadores, que circulan el agua enfriada nuevamente hasta el calentador, instalándose una bomba que permita dar la velocidad de flujo necesaria para la circulación. Esta bomba opera con un arrancador con termostato, arrancando cuando la temperatura del agua en la tubería de retorno ha descendido al mínimo y parando cuando se a producido la circulación suficiente para aumentar la temperatura del agua a su máximo de diseño, manteniendo permanentemente así el agua a dicha temperatura. Este sistema es utilizado generalmente en medianas y grandes instalaciones.
Calentador Agua fría
Tubería de retorno
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IX- AISLAMIENTO En medianas y grandes instalaciones de agua caliente es necesario recubrir las tuberías con aislante térmico que disminuya al mínimo la perdida de temperatura que significa mayor costo de operación. Para ello existen materiales especiales como Carbonato de Magnesio con Amianto y/o Asbesto prensado, fabricados en segmentos que se ajustan al diámetro de las tuberías; Lana de vidrio forrada y laminada en segmentos semi-circulares. Estos materiales se fabrican en diferentes espesores, proporcionando los fabricantes los coeficientes de conductividad o regresión térmica y las especificaciones de uso e instalación. PERDIDA DE CALOR EN TUBERIAS DE SUMINISTRO DE AGUA CALIENTE LINEALES (BTU/hora/pie) PARA TEMPERATURA EN TUBERIA 60º C (140º F) Y TEMPERATURA DEL AIRE 21.1º C (70º F) DIAMETRO Hierro Galvanizado (Pulg) Acero
½ ¾ 1 1¼ 1½ 2 2½ 3 4
35 43 53 65 73 91 108 130 163
Bronce Todos los Cobre tipos de Sin Roscar Tubería
26 32 28 46 53 65 75 90 113
15 17 19 21 24 29 32 38 46
X- DILATACION Debido a los cambios de temperatura en las tuberías de agua caliente y circulación, se producen dilataciones y contracciones en las mismas. Para absorber estos cambios de longitud debe proveerse la instalación de uniones de expansión, sobre todo en medianas y grandes instalaciones. En los diseños de las redes de agua caliente y circulación debe considerarse los tramos de mayor longitud seleccionándolos con puntos fijos de apoyo para luego calcular la dilatación para cada tramo, de acuerdo a la longitud que pueda absorber la unión de expansión elegida. XI – DISEÑO DE REDES DE AGUA CALIENTE Una vez que se ha definido todos los elementos básicos de un proyecto de abastecimiento de agua caliente, como son: dotaciones, capacidad de producción, capacidad de almacenamiento y si fuera necesario tipo de calentador, temperatura de producción y de consumo, etc. podrá procederse a la ejecución del diseño de la red de agua caliente, teniendo en cuenta el sistema elegido. Con el fin de lograr un diseño eficiente se deben considerar las siguientes recomendaciones: a) Se debe evitar que la tubería de agua caliente sea empotrada en paredes o pisos, utilizando para ello ductos, entre techos o falsas estructuras que permitan la libre dilatación o contracción por cambios de temperatura. b) Los equipos de agua caliente deben ubicarse de tal forma que permitan una fácil operación o mantenimiento. c) Debe evitarse la combinación frecuente de metales opuestos que puedan producir corrosión. d) Debe considerarse el recubrimiento de aislamiento térmico para la tubería.
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XII – CALCULO DE REDES DE AGUA CALIENTE PROCEDIMIENTO I El procedimiento recomendado para el cálculo de las redes de agua caliente es el siguiente: 1) Calculo De La Red De Distribución Para el cálculo de la red de distribución se utiliza el mismo procedimiento que para una red de agua fría. 2) Calculo del Sistema de Circulación Como ya se definió anteriormente las tuberías de retorno tiene por objeto circular el agua que se enfría, por perdida de calor por conducción, convección, y radiación, cuando el sistema se encuentra estático, es decir cuando el consumo de agua caliente es mínimo. Se hace necesario entonces calcular el gasto que debe circular por la tubería de retorno, para lo cual se supone el sistema estático, estableciendo que la perdida de calor a través de la tubería de agua caliente son iguales a las que perdería el agua que circula por ellas, con lo cual se establece la siguiente formula: ( K x L x dT ) Q 504 (T1 T2 ) Q = Gasto de circulación continuo en gpm K = Coeficiente de transmisión en BTU/hora/pie de tubería y depende del diámetro de la tubería y del aislamiento térmico a utilizar. L = Longitud de la tubería de agua caliente en pies T1 T3 dT T0 2 T0 = Temperatura ambiente (ºF) T1 = Temperatura de producción de agua caliente (ºF) T2 = Temperatura de salida en el aparato mas desfavorable (ºF) T3 = Temperatura de agua en tramo considerado y calculado en base a perdida de temperatura unitaria, considerando como perdida total de temperatura la diferencia entre la temperatura de salida del calentador y la temperatura de salida en el aparato mas desfavorable (ºF). Este gasto siendo de circulación continua, será el que debe conducir la tubería principal de circulación que llega a la fuente de producción por gravedad, pero si se trata de diseñar un sistema de circulación forzada es necesario establecer un nuevo gasto que será el que circule por la tubería principal de retorno, forzada por la bomba, entendiéndose que esta no tendrá un trabajo continuo, sino por periodos de tiempo y a intervalos fijados de previamente. Estos periodos son variables dependiendo del rango del gasto y del criterio del diseñador variando entre 5 y 10 minutos de trabajo cada 1 ó 2 horas. El caudal que circula por la tubería principal de retorno se reparte proporcionalmente en cada uno de los ramales de agua caliente, encontrándose después los caudales correspondientes a cada ramal de circulación , con los que se calculan los diámetros de las tuberías respectivas, por medio del mismo procedimiento utilizado para agua fría , estableciendo la perdida de carga total en la circulación que servirá para especificar la altura dinámica total de la bomba de circulación lo mismo que el caudal. También es necesario establecer la temperatura de llegada a la bomba de circulación en base a la perdida de calor entre el punto mas alejado y la bomba con el fin de definir el rango de máxima y mínima temperatura de parada y arranque respectivamente.
EJEMPLO
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PROCEDIMIENTO II PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA CALIENTE 1) Determinar la cantidad de agua caliente que debe ser abastecida por minuto o por hora, que es la capacidad de recuperación o de calentamiento. En el caso de calentadores con tanque de almacenamiento, determinar la capacidad de almacenamiento utilizable; considerando que para establecer las dimensiones del tanque de almacenamiento, se considera utilizable únicamente el 70 % de su capacidad física, debido a la extracción del agua. 2) Defina la localización del sistema de calentamiento en el edificio, considerando cualquier restricción de espacio que pueda afectar el equipo mencionado. 3) Verificar si tiene requerimientos especiales de agua caliente, según el tipo de usuario del servicio. 4) seleccionar el tipo de equipo de calentamiento, sus componentes y equipo auxiliar. En este punto se calcula la elevación de la temperatura ( T) que se requiere en “ºC”, la cual es la diferencia entre la temperatura del agua a la salida de calentador (T S) y la temperatura de agua que entra al calentador (TE). Con los datos anteriores podemos calcular la relación con la cual el calor debe ser abastecido en BTU/hora para poder elevar la temperatura una cantidad igual a “ T” para la capacidad de recuperación en “Lts/hora”. Se utiliza la siguiente ecuación: R = 237.685 CR T R = Calor que debe ser abastecido a fin de incrementar la temperatura del agua (BTU/hora). CR = Capacidad de recuperación o de calentamiento (Lts/hora). T = Diferencia de temperatura entre la temperatura del agua a la salida del calentador (TS) y la temperatura del agua al ingreso al calentador (TE) en “ºC”. T = TS - TE 5) Establecer el sistema de distribución de las instalaciones de agua caliente. 6) Determinar la capacidad de la bomba de Recirculación de agua caliente, la cual debe vencer la caída de presión resultante de la recirculación de agua en los calentadores, tuberías, válvulas, y demás accesorios, la sumatoria de todos estos valores mas la carga de operación en la toma mas alejada del sistema, nos dará la carga de dinámica total que deberá suministrar el equipo de bombeo. El procedimiento para calcular el caudal de recirculación del equipo de bombeo es el siguiente: a) Determinar la perdida de calor en BTU/hora en las tuberías de agua caliente, partiendo del calentador hasta la salida mas alejada. Como el cálculo de las perdidas anteriores puede ser complicado, frecuentemente se utiliza la cantidad de calor que debe añadirse al agua que ingresa al calentador para lograr la elevación de la temperatura de la misma hasta el nivel deseado a la salida del calentador, cuyo valor se ha obtenido en el paso Nº 4. b) Establecer la temperatura minima aceptable del agua que se utiliza en la salida mas alejada. c) Determinar la diferencia entre la temperatura del agua al salir del calentador y la temperatura minima aceptable en la salida mas alejada del sistema en “ºC”.
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d) Calcular el caudal que debe proporcionar el equipo de bombeo con la siguiente ecuación: 7.01 x 10 5 R Q T Q = Caudal que debe proporcionar el equipo de bombeo para la recirculación del agua (Lts/seg). R = Cantidad de calor que debe añadirse al agua que ingresa al calentador para lograr incrementar la temperatura hasta el nivel deseado a la salida del calentador. T = Diferencia entre la temperatura del agua a la salida del calentador (T S) y la temperatura minima aceptable en la salida mas alejada del sistema en “ºC”. 7) Dibujar un diagrama de flujo de todo el sistema y dimensionar sus componentes, de forma similar a la que se realiza en el cálculo de los sistemas de distribución de agua fría. Lo que significa que se debe obtener el número de unidades de gasto (U.H.) que conducirá cada sección de tubería y realizar los cálculos correspondientes en base a los criterios de diseño ya establecidos.
EJEMPLO