Capítulo I: Instalación Eléctrica 1.0 CÁLCULO DE POTENCIA ELÉCTRICA DEL LABORATORIO Para el cálculo de la potencia total eléctrica de la nave, vamos a dividirlo en dos estudios. Por un lado vamos a realizar el diseño del Alumbrado interior según normas vigentes, y por el otro lado vamos a considerar la Fuerza motriz, es decir las máquinas-herramientas con la que va a estar equipado el laboratorio. 1.1 DISEÑO DE ILUMINACIÓN 1.1.1 Consideraciones generales sobre iluminación en el ambiente laboral De todos los tipos de energía que pueden utilizar los humanos, la luz es la más importante. La luz es un elemento esencial de nuestra capacidad de ver y necesaria para apreciar la forma, el color y la perspectiva de los objetos que nos rodean. La mayor parte de la información que obtenemos a través de nuestros sentidos la obtenemos por la vista (cerca del 80%). Y al estar tan acostumbrados a disponer de ella, damos por supuesta su labor. Ahora bien, no debemos olvidar que ciertos aspectos del bienestar humano, como nuestro estado mental o nuestro nivel de fatiga, se ven afectados por la iluminación y por el color de las cosas que nos rodean. Desde el punto de vista de la seguridad en el trabajo, la capacidad y el confort visuales son extraordinariamente importantes, ya que muchos accidentes se deben, entre otras razones, a deficiencias en la iluminación o a errores cometidos por el trabajador, a quien le resulta difícil identificar objetos o los riesgos asociados con la maquinaria, los transportes, los recipientes peligrosos, etcétera. Factores que determinan el confort visual Los requisitos que un sistema de iluminación debe cumplir para proporcionar las condiciones necesarias para el confort visual son, Iluminación uniforme. Iluminancia óptima. Ausencia de brillos deslumbrantes. Condiciones de contraste adecuadas. Colores correctos. Ausencia de efectos estroboscópicos. Es importante examinar la luz en el lugar de trabajo no sólo con criterios cuantitativos, sino cualitativos. El primer paso es estudiar el puesto de trabajo, la movilidad del trabajador etcétera. La luz debe incluir componentes de radiación difusa y directa. El resultado de la combinación de ambos producirá sombras de mayor o menor intensidad, que permitirán al trabajador percibir la forma y la posición de los objetos situados en el puesto de trabajo. Deben eliminarse los reflejos molestos, que dificultan la percepción de los detalles, así como los brillos excesivos o las sombras oscuras. El mantenimiento periódico de la instalación de alumbrado es muy importante. El objetivo es prevenir el envejecimiento de las lámparas y la acumulación de polvo en las luminarias, cuya consecuencia será una constante pérdida de luz. Por esta razón, es importante elegir lámparas y sistemas fáciles de mantener.
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Capítulo I: Instalación Eléctrica
1.0 CÁLCULO DE POTENCIA ELÉCTRICA DEL LABORATORIO
Para el cálculo de la potencia total eléctrica de la nave, vamos a dividirlo en dos estudios. Por un lado vamos a realizar el diseño del Alumbrado interior según normas vigentes, y por el otro lado vamos a considerar la Fuerza motriz, es decir las máquinas-herramientas con la que va a estar equipado el laboratorio.
1.1 DISEÑO DE ILUMINACIÓN
1.1.1 Consideraciones generales sobre iluminación en el ambiente laboral
De todos los tipos de energía que pueden utilizar los humanos, la luz es la más importante. La luz es un elemento esencial de nuestra capacidad de ver y necesaria para apreciar la forma, el color y la perspectiva de los objetos que nos rodean. La mayor parte de la información que obtenemos a través de nuestros sentidos la obtenemos por la vista (cerca del 80%). Y al estar tan acostumbrados a disponer de ella, damos por supuesta su labor. Ahora bien, no debemos olvidar que ciertos aspectos del bienestar humano, como nuestro estado mental o nuestro nivel de fatiga, se ven afectados por la iluminación y por el color de las cosas que nos rodean. Desde el punto de vista de la seguridad en el trabajo, la capacidad y el confort visuales son extraordinariamente importantes, ya que muchos accidentes se deben, entre otras razones, a deficiencias en la iluminación o a errores cometidos por el trabajador, a quien le resulta difícil identificar objetos o los riesgos asociados con la maquinaria, los transportes, los recipientes peligrosos, etcétera. Factores que determinan el confort visual Los requisitos que un sistema de iluminación debe cumplir para proporcionar las condiciones necesarias para el confort visual son,
Iluminación uniforme. Iluminancia óptima. Ausencia de brillos deslumbrantes. Condiciones de contraste adecuadas. Colores correctos. Ausencia de efectos estroboscópicos.
Es importante examinar la luz en el lugar de trabajo no sólo con criterios cuantitativos, sino cualitativos. El primer paso es estudiar el puesto de trabajo, la movilidad del trabajador etcétera. La luz debe incluir componentes de radiación difusa y directa. El resultado de la combinación de ambos producirá sombras de mayor o menor intensidad, que permitirán al trabajador percibir la forma y la posición de los objetos situados en el puesto de trabajo. Deben eliminarse los reflejos molestos, que dificultan la percepción de los detalles, así como los brillos excesivos o las sombras oscuras. El mantenimiento periódico de la instalación de alumbrado es muy importante. El objetivo es prevenir el envejecimiento de las lámparas y la acumulación de polvo en las luminarias, cuya consecuencia será una constante pérdida de luz. Por esta razón, es importante elegir lámparas y sistemas fáciles de mantener.
Tipos de iluminación. En cuanto a la iluminación dependiendo del origen de esta, existen tres tipos básicos:
Iluminación artificial: Es la fuente de luz que se suministra por fuentes luminosas artificiales.
Iluminación natural: Es aquella que se obtiene por la luz diurna. Iluminación mixta: Es aquella en la que se combina la luz natural con la artificial.
Además también se puede diferenciar entre:
General: Luz repartida de manera uniforme por toda la superficie de trabajo. Localizada: Luz enfocada a iluminar una zona en particular por requerir una mayor
precisión.
Magnitudes y unidades Si partimos de la base de que para poder hablar de iluminación es preciso contar con la existencia de una fuente productora de luz y de un objeto a iluminar, las magnitudes que deberán conocerse serán las siguientes:
El Flujo luminoso. La Intensidad luminosa. La Iluminancia o nivel de iluminación. La Luminancia.
El flujo luminoso Son magnitudes características de las fuentes; el primero indica la potencia luminosa propia de una fuente, es la cantidad de luz radiada o emitida durante un segundo.
Intensidad luminosa Es la cantidad de luz emitida o radiada por una fuente luminosa durante un segundo, en una dirección dada y para un ángulo sólido de valor un estereorradián (Sr). Si r vale 1m y la superficie S de la base del cono es de 1 m2, el ángulo sólido vale un estereorradián.
Figura N°1: Representación de una candela de intensidad luminosa.
Iluminancia La iluminancia también conocida como nivel de iluminación, es la cantidad de luz, en lúmenes, por el área de la superficie a la que llega dicha luz. La cantidad de luz sobre una tarea específica o plano de trabajo, determina la visibilidad de la tarea pues afecta a:
La agudeza visual La sensibilidad de contraste o capacidad de discriminar diferencias de luminancia y color La eficiencia de acomodación o eficiencia de enfoque sobre las tareas a diferentes
distancias Cuanto mayor sea la cantidad de luz y hasta un cierto valor máximo (límite de deslumbramiento), mejor será el rendimiento visual. La iluminancia es una consecuencia directa del alumbrado y la reflectancia constituye una propiedad intrínseca de la tarea. En una oficina determinada, pueden estar presentes muchas tareas diferentes con diversas reflectancias, lo que hace muy complicado tanto su estudio previo a la instalación, como sus medidas posteriores. Pero la iluminancia permanece dependiendo sólo del sistema de alumbrado y afecta a la visibilidad. En consecuencia, para el alumbrado de oficinas, la cantidad de luz se especifica en términos de iluminancias y normalmente de la iluminancia media (E med) a la altura del plano de trabajo. Para medir la iluminancia se utiliza un equipo denominado luxómetro.
Luminancia Es una característica propia del aspecto luminoso de una fuente de luz o de una superficie iluminada en una dirección dada. Es lo que produce en el órgano visual la sensación de claridad; la mayor o menor claridad con que vemos los objetos igualmente iluminados depende de su luminancia. Podemos decir pues, que lo que el ojo percibe son diferencias de luminancia y no de niveles de iluminación.
Grado de reflexión La luminancia de una superficie no sólo depende de la cantidad de lux que incidan sobre ella, sino también del grado de reflexión de esta superficie. Una superficie negro mate absorbe el 100% de la luz incidente, una superficie blanco brillante refleja prácticamente en 100% de la luz. Todos los objetos existentes poseen grados de reflexión que van desde 0% y 100%. El grado de reflexión relaciona iluminancia con luminancia. Luminancia (Absorbida) = grado de reflexión x iluminancia (lux) La definición de cada una de estas magnitudes, así como sus principales características y las correspondientes unidades se dan en la Tabla N°1.
Tabla N°1: Magnitudes y Unidades luminotécnicas.
Temperatura de color El color no es una cualidad de los cuerpos, ya que no se generan en ellos como tal, sino que es una interpretación que el cerebro realiza de las radiaciones electromagnéticas que el ojo es capaz de percibir. Una forma de describir una fuente luminosa es indicar cuál es su temperatura de color. Así por ejemplo una lámpara que tiene una temperatura de color de 5000°K, quiere decir que emite el mismo tono de luz que emitirá un cuerpo negro calentándolo a esa temperatura. Da información sobre la tonalidad de la luz. Índice de reproducción cromática (Ra) Es la capacidad que presenta una fuente luminosa de permitir una buena apreciación de los colores sobre los objetos iluminados. Cuanto más uniforme y completa sea la composición espectral de la radiación de un iluminante, mejor quedarán reproducidos los colores. Su valor se expresa en porcentaje en comparación con el cuerpo negro cuyo valor es de 100.
Tabla N°2: Índice de producción cromática.
Distribución de la luz, deslumbramiento Los factores esenciales en las condiciones que afectan a la visión son la distribución de la luz y el contraste de luminancias. Por lo que se refiere a la distribución de la luz, es preferible tener una buena iluminación general en lugar de una iluminación localizada, con el fin de evitar deslumbramientos.
Figura N°2: Deslumbramiento en iluminación general vs localizada.
La distribución de la luz de las luminarias también puede provocar un deslumbramiento directo y, en un intento por resolver este problema, es conveniente instalar unidades de iluminación local fuera del ángulo prohibido de 45 grados, como puede verse en la figura
Figura N°3: Ángulo prohibido.
Por esta razón los accesorios eléctricos deben distribuirse lo más uniformemente posible con el fin de evitar diferencias de intensidad luminosa. El deslumbramiento puede ser directo (cuando su origen está en fuentes de luz brillante situadas directamente en la línea de la visión) o reflejado (cuando la luz se refleja en superficies de alta reflectancia).
Existen diferentes indicadores para calcular los valores de deslumbramiento y compararlos con valores ya tabulados para saber si cumple o no las condiciones necesarias de acuerdo a la distribución y características de luminarias, como por ejemplo el índice de deslumbramiento unificado (UGR) que recomienda la Comisión Nacional de Iluminación o CIE (del Francés Commissions Internationale de l’éclairage). No obstante según el reglamento Nacional basado en el Decreto Nº 351/79 - ANEXO IV - CAPÍTULO 12 - ILUMINACIÓN Y COLOR establece lo siguiente “Con el objeto de evitar diferencias de iluminancias causantes de incomodidad visual o deslumbramiento, se deberán mantener las relaciones máximas indicadas en la siguiente tabla”
Tabla N°3: Relación Máximas de Luminancias
1.1.2 Procedimiento del cálculo de Alumbrado.
Un factor importante a la hora de realizar el diseño de la iluminación del Laboratorio es considerar la infraestructura con la cual se va proceder en el cálculo. Esto se debe, no solo a las dimensiones del mismo sino también a la concepción arquitectónica intentando aprovechar al máximo las ventajas que ofrece la iluminación natural. Como se verá más adelante la ampliación del Laboratorio tiene en cuenta este aspecto. La priorización de la iluminación natural frente a la artificial, no sólo tiene repercusión económica. El que la zona de trabajo esté iluminada con luz natural propicia un mejor ambiente de trabajo, así como beneficios fisiológicos y psicológicos para los operarios y además de los beneficios para el medio ambiente que supone no consumir energía eléctrica y consumir la luz solar, fuente inagotable de energía. No obstante para la simplificación de los cálculos, vamos a suponer el caso más desfavorable, condiciones nocturnas y realizar el diseño de iluminación para satisfacer estas condiciones.
Comenzamos sectorizando el Laboratorio según sus diferentes áreas de trabajo, a continuación se detalla el plano general del mismo.
Figura N°4: Plano del laboratorio – Distribución de área.
Vamos a proceder a calcular por sector lo siguiente: 1º. CALCULAR EL FLUJO LUMINOSO TOTAL NECESARIO (ΦT).
1.1. Fijar los datos de entrada: a. Dimensiones del local. (a, b y H) b. Altura del plano de trabajo. (h’) c. Nivel de iluminancia media. (Em) d. Elección del tipo de lámpara. e. Elección del tipo de luminaria (catálogos comerciales) y su altura de suspensión.
1.2. Determinar el coeficiente de utilización (Cu). a. Cálculo de coeficientes de reflexión b. índice k del local.
1.3. Determinar el factor de mantenimiento (fm). Según el tipo de local. 2º. ESTABLECER EL NÚMERO DE LUMINARIAS. 3º. PRECISAR EL EMPLAZAMIENTO DE LAS LUMINARIAS. 4º. COMPROBACIÓN DE LOS RESULTADOS. (Nivel de iluminación medio superior al de tablas)
SECTOR 1: Laboratorio Actual
Figura N°5: Layout – Sector 1.
1º. FLUJO LUMINOSO TOTAL NECESARIO (ΦT) a. Dimensiones del local
b. Altura del plano de trabajo. (h’) Supondremos que la altura de las mesas de trabajo donde se lleven a cabo las tareas principales se encuentran a una altura de h’= 0.8m.
Figura N°6: Altura del plano de trabajo.
c. Nivel de iluminancia media. (Em) Este valor depende del tipo de actividad que se va realizar en el local y está regulado según normativas vigentes por Decreto Nº 351/79 - ANEXO IV - CAPÍTULO 12 - ILUMINACIÓN Y COLOR.
Tipo de Actividades a desarrollar: En este sector se van a llevar a cabo diferentes actividades sectorizadas como: metrología, metalografía, Tratamientos térmicos, análisis de lubricantes y ensayos destructivos. Al tener distintas tareas con exigencias lumínicas diferentes en un mismo sector vamos a utilizar iluminación general y localizada. Por lo tanto según tabla 4 del Decreto N°351/79, debemos cumplir una relación de iluminación según:
Tabla N°4: Iluminación general Mínima en función de la iluminación localizada
La actividad que más exigencia de iluminancia necesita, según tabla 2 del Decreto N°351/79, es “Iluminación localizada para trabajos delicados en banco o máquina, verificación de medidas, rectificación de piezas de precisión” con 1000 Lux. La cual la vamos a considerar iguales en todas las mesas de trabajo de este sector. Por lo tanto la iluminancia media general Em debe ser de 300 Lux.
d. Elección del tipo de lámpara. Seleccionamos como fabricante la marca Philips, tanto para la lámpara como para la luminaria a efecto de simplificar las elecciones. Usamos una base de datos digital para la selección de las mismas. Se decidió usar lámpara de tecnología LED para el ahorro en energía, ya que esta tecnología tiene muy alta eficacia es decir Lm/W y bajo Factor de Potencia.
Lámpara seleccionada: “LED Module, system flux 3400 lm” e. Elección del tipo de luminaria y su altura de suspensión. Generalmente, la altura de suspensión de las luminarias para locales de altura normal será aquella que resulte de colocar las luminarias lo más alto posible: Considerando que en el SECTOR 1, tenemos una altura de 2.5 mts y el mismo es hasta la plancha de durlock, el tipo de luminaria más adecuado es del tipo empotrable. Por lo tanto la altura de suspensión h = 1.7 mts.
Figura N°7: Altura de plano de trabajo y plano de las luminarias. Siendo
d = altura entre el plano de las luminarias y el techo.
h = altura entre el plano de trabajo y el plano de trabajo de las luminarias
h’ = altura del plano de trabajo al suelo
H = altura del local
Sin embargo, para locales de altura elevada, en ese caso, para determinar esa altura de suspensión puedes utilizar la siguiente tabla:
Tabla N°5: Determinación de la altura de las luminarias.
Filtrando en la base de dato de Philips seleccionamos el siguiente artefacto “RC461B G2 LED34S/840 PSD W60L60 VPC PIP”
Figura N°8: Artefacto “RC461B G2 LED34S/840 PSD W60L60 VPC PIP”
La elección del artefacto se filtró del fabricante de acuerdo a las condiciones establecidas y también por las características de los datos fotométricos. [Ver Anexo ] 1.2. Determinar el coeficiente de utilización (Cu). El coeficiente de utilización, nos indica la relación entre el número de lúmenes emitidos por la lámpara y los que llegan efectivamente al plano ideal de trabajo. Los fabricantes de luminarias proporcionan para cada modelo unas tablas, que son las denominadas tablas del factor de utilización. Este coeficiente será tanto más grande cuanto mayores sean los coeficientes de reflexión, mayores la altura y longitud del espacio físico y menor la altura del plano de trabajo. También, lógicamente, influirá si el alumbrado es directo o no, pues una distribución concentrada dirigirá la luz unitariamente hacia abajo, originando que una menor proporción de luz incida en las paredes y techos, obteniendo así una considerable mejora en el rendimiento de las instalaciones. El fabricante nos proporciona para la luminaria seleccionada la siguiente tabla de factor de utilización:
Tabla N°6: Factor de utilización según catálogo Philips
a. Cálculo el índice del local (k): El índice del local (k) se averigua a partir de la geometría de este según la característica de la iluminación:
Iluminación directa: el flujo luminoso es directo hacia abajo.
Iluminación semi-directa: el flujo luminoso es directo en gran parte hacia abajo (60-90%) y hacia arriba (10-40%).
Mixta (directa-indirecta): el flujo luminoso está distribuido uniformemente hacia abajo (40-60%) y hacia arriba (40-60%).
General difusa: el flujo luminoso está distribuido hacia abajo (40-60%) y hacia arriba (40-60%).
Semi-indirecta: el flujo luminoso es prevalente hacia la parte superior (60-90%).
Indirecta: El rendimiento es bajo y la visión poco nítida por la falta del efecto de sombra. Hacia arriba (90-100%).
Figura N°9: Diferente tipos de iluminación.
Claramente en nuestro caso que tenemos el artefacto empotrado es el caso de un sistema de iluminación directa. [Ver también ficha técnica de la lámpara]
Tabla N°7: Índice del local.
𝑘 =𝑎 𝑥 𝑏
ℎ 𝑥 (𝑎 + 𝑏)=
11 𝑥 5
1.7 𝑥 (11 + 5)= 2
b. Cálculo de los coeficientes de reflexión. Recordemos que la luminancia de una superficie no sólo depende de la cantidad de lux que incidan sobre ella, sino también del grado de reflexión de esta superficie. Los valores para los coeficientes de reflexión vienen tabulados según el color del techo, pared y piso (representa el plano de trabajo).
Con estos datos y el índice del local (k), entramos a la tabla del fabricante para encontrar el coeficiente de utilización y podemos observar que el mismo vale Cu=1.
1.3. Definir el factor de mantenimiento (fm) Este coeficiente dependerá del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia de la limpieza del local. Para una limpieza periódica anual podemos tomar los siguientes valores:
Tabla N°9: Factor de mantenimiento.
Por las características de los ensayos a realizar en el SECTOR 1 podemos suponer un ambiente Limpio, por lo tanto fm=0.8. Con todos estos datos ya calculados podemos averiguar el flujo luminoso necesario a través de la siguiente ecuación:
Φt =Em x S
Cu x fm
Donde ΦT : Flujo luminoso necesario [Lumenes] Em: Iluminancia media general [Lux] S: Superficie a iluminar [m2] Cu: Coeficiente de utilización. fm: Factor de mantenimiento.
ΦT =300 x 551
0.8 = 20625 Lumenes
2º. ESTABLECER EL NÚMERO DE LUMINARIAS. El número de luminarias para alcanzar el nivel de iluminación adecuado viene dado por la siguiente ecuación:
NL =Φ𝑡
𝑛 𝑥 Φ𝐿
Donde: ΦL: Flujo luminoso de una lámpara. n = número de lámparas que tiene la luminaria.
𝑁𝐿 =𝛷𝑇
𝑛 ∗ 𝛷𝐿=
20625
1 𝑥 3400 = 6.06 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠
Seleccionamos un total de 6 luminarias.
3º. PRECISAR EL EMPLAZAMIENTO DE LAS LUMINARIAS. Una vez calculado el número mínimo de luminarias que necesitamos, tenemos que proceder a distribuirlas sobre la planta del sector, es decir, tendremos que averiguar la distancia a la que debemos instalarlas para lograr una iluminación uniforme. En los locales de planta rectangular, como es nuestro caso, las luminarias se reparten de forma uniforme en filas paralelas a los ejes de simetría del local según las fórmulas:
Nancho = √Ntotal x b
a Nlargo =
Ntotal
Nancho
Redondeando Siempre hacia arriba tenemos:
Nancho = 1.65 ≈ 2
Nlargo =6
2= 3
Por lo tanto cantidad de luminaria a instalar Nancho 𝑥 Nlargo = 6 luminarias.
La distancia máxima de separación entre las luminarias dependerá del ángulo de apertura del haz de luz y de la altura de las luminarias sobre el plano de trabajo.
Figura N°10: Distancias entre luminarias.
Como puede verse fácilmente, mientras más abierto sea el haz y mayor la altura de la luminaria más superficie iluminará aunque será menor el nivel de iluminancia que llegará al plano de trabajo tal y como dice la ley inversa de los cuadrados. Por otro lado, la mayoría de las biografías resuelven el tema de la distribución, de manera uniforme. Es decir sacando el cociente entre el ancho del local y el número de luminaria a lo ancho y lo mismo para la separación a lo largo. De esta manera garantiza una distribución pareja en toda el área y vemos que las luminarias próximas a la pared están más cerca para una mejor iluminación (normalmente la mitad de la distancia).
Distancia entre luminarias a lo ancho: Ancho (b) /Nancho → 5 mts / 2 = 2.5 mts
Distancia entre luminarias a lo largo: Largo (a) / Nlargo→ 11mts / 3 = 3.66 mts
Figura N°11: Distribución de las luminarias en el sector.
COMPROBACIÓN DE LOS RESULTADOS Para verificar el resultado obtenido, podemos reemplazar los datos en la siguiente fórmula:
𝐸𝑚 =6 𝑥 3200 𝑥 1 𝑥 0.8
55= 297 𝐿𝑢𝑥 ∴ 𝑃𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑠 𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒
Iluminación localizada: De esta manera sabemos que en el plano de trabajo en toda la superficie del sector vamos a tener aproximadamente 300 Lux. Ahora debemos diseñar la luminaria localizada para obtener en los lugares específicos los 1000 lux que necesitamos para realizar la actividad. Según el diseño de nuestro sector, estas actividades específicas se van a llevar a cabo de forma individual en diferentes mesas de trabajo. Como la cantidad de Lux en un punto, es la suma de los Luxes individuales, debemos equipar cada mesa con una luminancia media (Em) de 700 Lux. Por lo tanto vamos a repetir el paso anterior pero solo para la superficie de la mesa.
Tenemos:
a. Altura entre plano de iluminación y plano de trabajo: Vamos a establecer una distancia reducida para no generar deslumbramientos excesivos h = 1 mts.
b. Índice del local (para el área de la mesa de 2m de largo y 0.8m de ancho) → k 0.6
c. Selección de luminaria: WT470C L1600 1 xLED 35S/840 O [ver anexo]
Figura N°12: Luminaria seleccionada
d. Cálculos de los coeficientes de reflexión: Vamos a suponer que no hay influencia por reflexión ya que ya que la distancia h es chica.
e. Calculamos el Coeficiente de utilización, según tabla proporcionada por el fabricante para
dicha luminaria. Con k 0.6 y Reflexión en las mejores condiciones para los casos de techo, pared y plano de trabajo ya que h es reducida.
Tabla N°11: factor de utilización Iluminación localizada.
Nos queda aproximadamente un Cu = 0.46
f. Cálculo de Flujo luminoso necesario
Φt =Em x S
Cu x fm
Donde
ΦT: Flujo luminoso necesario [Lúmenes] Em: Iluminancia media general [Lux] = 700 S: Superficie a iluminar [m2] = 1.6 Cu: Coeficiente de utilización = 0.46 fm: Factor de mantenimiento = 0.8
Flujo luminoso total necesario ΦT: 3043 Lúmenes. Como tenemos una lámpara de 3500 Lúmenes quiere decir que sobra potencia de flujo luminoso. De esta manera quedan definidas las iluminaciones del sector 1 con la cantidad requerida de Luxes en los planos de trabajo según norma. De manera similar se procede con los demás sectores. El detalle se encuentra en la siguiente tabla: El cálculo también es verificado por el software DIALux. [ver anexo]
Tabla N°12: Detalle de iluminarias por sector.
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1.2 POTENCIA ELÉCTRICA
1.2.1 Conceptos preliminares
La ejecución de una instalación eléctrica requiere necesariamente la confección de un proyecto, que debe constar de planos y memoria técnica. Para la confección de este proyecto eléctrico se tienen en cuenta los siguientes factores básicos: De orden general
Economía. Comodidad para uso y mantenimiento. Estética. Optimización, para un uso eficiente de la energía eléctrica.
Cargas eléctricas
Crecimiento y desarrollo de los sistemas de iluminación y fuerza motriz. Nuevas aplicaciones de la electricidad.
De orden técnico
Adecuadas condiciones de seguridad para las instalaciones y personas. Protección conveniente de los diferentes Circuitos, a fin de separar y localizar rápidamente, cualquier inconveniente o desperfecto que se presenten.
Facilidad del reconocimiento de las distintas derivaciones.
Normativas aplicadas En toda etapa del proyecto se trabajó acorde a la Reglamentación de la Asociación Electrotécnica Argentina que aplica las normas IRAM correspondientes. Compañía suministradora La energía eléctrica se tomará de la red de distribución eléctrica que posee la compañía EDÉN en la zona urbana objeto del estudio.
1.2.2 Desarrollo del proyecto eléctrico. Diseño de la distribución de circuitos
El primer punto con el que nos encontramos es la recepción de energía de la empresa proveedora y ese punto se denomina acometida. Es el punto de conexión entre el usuario y la compañía de energía eléctrica, la que puede ser aérea o subterránea. A su vez la protección de la línea de alimentación y el medidor de energía, debe cumplir con los requisitos que ésta establezca. El Reglamento de la Asociación Electrotécnica Argentina (AEA) establece un esquema general básico, al que debe ajustarse como mínimo toda instalación eléctrica en inmuebles como se muestra a continuación (Figura N°13)
Figura N°13: Esquema típicos de distribución de energía.
Si observamos el plano general del laboratorio (figura N°4), podemos identificar tres grandes áreas. Estas áreas corresponden a distintas exigencias energéticas, por lo que es conveniente separarlas. Por un lado tenemos los sectores 1 y 2 con trabajos de laboratorios, máquinas-herramientas sensibles y con baja carga energética. Luego los sectores 3 y 4, son de trabajos tipo taller, con mayores exigencias energéticas y por último, los sectores 5 y 6 corresponden a oficina y aula, por lo que es conveniente independizar las líneas eléctricas de las computadoras y artefactos livianos por la generación de ruidos. Por tal motivo, se selecciona una distribución semejante a la línea 6 de la figura N°13, donde tenemos un tablero principal y tres tableros seccionales. La Asociación de Electrotécnica Argentina establece que el tablero principal debe instalarse a una distancia lo más corta posible del medidor, como recomendación no mayor a 2 metros. En él debe instalarse un interruptor automático termomagnético que actúe como dispositivo de corte y protección por sobrecarga y cortocircuito de todas las fases de instalación eléctrica y sea bipolar para instalaciones monofásicas o tetrapolar para instalaciones trifásicas. Aguas abajo nos encontramos con los tableros seccionales donde debemos incorporar todas las protecciones de los circuitos terminales que en él se desprenden. Se debe contar con un dispositivo de corte general de todas las fases, debiendo instalarse:
Un interruptor automático termomagnético que actúe como dispositivo de corte y protección por sobrecarga y cortocircuito.
Un interruptor automático con apertura por corriente diferencial de fuga (IRAM 2301), que puede estar integrado a cada uno de los circuitos terminales derivados.
Cabe aclarar que todos los tableros eléctricos deben cumplir con todas las prescripciones establecidas en la reglamentación de la AEA, con respecto a la ubicación, instalación, materiales y grado de protección
IP.
Para cada una de los circuitos terminales derivados, debe instalarse un interruptor automático termomagnético con protección por sobrecarga y cortocircuito. De estos tableros se desprenden un número de circuitos terminales mínimos correspondiente a los siguientes:
Circuito de iluminación uso general.
Circuito de tomacorriente uso general.
Circuito de tomacorriente uso especial.
Circuito de tomacorriente trifásico.
Circuito de carga única. Según la AEA se deben cumplir con algunas características de los circuitos según lo establecido en la tabla N°13
Tabla N°13: Característica y tipos de circuitos
Conforme a esto, se procede al diseño de la distribución de carga por línea del laboratorio, teniendo en cuenta a su vez el layout de la planta y la distribución de máquinas-herramientas. [Ver plano en anexo]
1.2.1 Cálculo de la demanda en potencia luminosa Una vez seleccionadas las luminarias y la cantidad de acuerdo al método de los lúmenes, podemos establecer la potencia de iluminación como se muestra la siguiente tabla:
Sector Potencia lámpara
[W]
Cantidad de
luminaria
Potencia Total [KW]
1 24 6 0,14
2 24 4 0,10
3 85 4 0,34
4 24 8 0,19
5 24 4 0,10
6 24 2 0,05
Entrada 500 1 0,5
Exterior 100 2 0,2
Total 1,62
Tabla N°14: Potencia instalada de iluminación
La demanda de potencia debido a la iluminación del laboratorio será de 1.62 KW.
1.2.2 Cálculo de la potencia eléctrica motriz Para determinar la potencia motriz debemos considerar el consumo de cada carga (es decir la potencia nominal) y los tomacorrientes instalados, según las características de los circuitos. A modo de resumen se presentan en la tabla N°15, una lista con el detalle antes mencionado.
Equipos Potencia Eléctrica
[W] Cantidad
Potencia Total [KW]
Coefic. de simultaneidad
Potencia motriz
total [KW]
Consumo monofásico 220V
Perforadora de banco 375 1 0,4 0,7 0,3
Amoladora de banco 370 1 0,4 0,7 0,3
Parral de cañería 1500 1 1,5 0,7 1,1
Soldadora por arco eléctrico 5000 1 5,0 0,7 3,5
Agujereadora de mano 600 1 0,6 0,7 0,4
Amoladora de mano 900 2 1,8 0,7 1,3
Horno Eléctrico 1900 1 1,9 0,7 1,3
Horno Eléctrico 2600 1 2,6 0,7 1,8
Aires A/C FC 3500* 5000 1 5,0 0,7 3,5
Aires A/C FC 3500* 5000 1 5,0 0,7 3,5
Computadoras 350 7 2,5 0,7 1,7
Tomacorrientes general* 2200 3 6,6 1 6,6
Total 33,2 25,2
Consumo trifásico 380V
Banco de prueba hidráulico 4500 1 4,5 0,7 3,2
Torno 10000 1 10,0 0,7 7,0
Soldadora por arco eléctrico 6500 2 13,0 0,7 9,1
Fresa 10000 1 10,0 0,7 7,0
Compresor 7450 1 7,5 0,7 5,2
Máquina Universal 3720 1 3,7 0,7 2,6
Túnel de viento 3720 1 3,7 0,7 2,6
Tomacorrientes 32A* 15000 2 30,0 1 30,0
Total 82,4 66,7
TOTAL 115,6 91,9
Tabla N°15: Demanda de potencia en fuerza motriz
* Para la estimación de potencia simultánea demandada en los tomacorrientes se hizo hincapié en lo establecido en la AEA (Asociación Electrotécnica Argentina), donde establece un mínimo de potencia debido a la situación de “incertidumbre de las cargas a conectar”. En él establece que cada circuito monofásico tienen un valor mínimo de potencia máxima simultanea de 2200 W por cada circuito de tomacorriente uso general. Cada circuito puede tener hasta 15 bocas de tomacorrientes y la máxima corriente por boca es de 10 A. A modo de ejemplo se supone que simultáneamente (en el caso más desfavorable) se conecta dos amoladora de mano y un taladro en cada circuito. *En el caso de los tomacorrientes trifásicos fue una estimación teniendo en cuenta como máxima corriente de carga en el tomacorriente de 28 A. Esto da una potencia de 15KW por circuito. Como ejemplo es suponer dos soldadoras por arco eléctrico conectadas simultáneamente por circuito. *Los aires acondicionados fueron supuesto como estimativo, pensándose que por lo menos debería haber un aire en el aula y otro en la oficina. Cabe aclarar que no se realizaron los cálculos correspondientes, pero se aproximaron los consumos a un equipo estándar. Cada aire va conectado a través de un circuito específico.
El consumo total debido a la potencia eléctrica motriz considerando circuitos monofásicos y trifásicos resulta de 115,6 KW, pero considerando que nunca sucedería que el 100% de los equipos estuvieran conectados al mismo tiempo, debemos afectar dicho valor por un coeficiente de simultaneidad, este factor se muestra en la tabla. Por lo tanto el consumo final es de 92 KW.
1.2.3 Cálculo de potencia demandada simultánea. La mayor parte de los dispositivos y aparatos eléctricos se marcan para indicar su potencia nominal. La potencia instalada es la suma de las potencias nominales de todos los dispositivos eléctricos de la instalación. Por lo tanto la potencia instalada del laboratorio, es la suma de la potencia demanda en iluminación y la potencia demandada motriz, la cual tiene un valor de Pn = 92 + 1.6 = 93.6 KW. Pero esta no es en la práctica la potencia absorbida realmente. Para una alimentación de una red de alimentación pública de baja tensión o a través de un transformador de alta/baja tensión, la cantidad significativa es la potencia aparente en KVA. Normalmente se asume que la potencia aparente instalada es la suma aritmética de los KVA de las cargas individuales. Los KVA máximos estimados que se van a proporcionar sin embargo no son iguales a los KVA totales instalados. La demanda de potencia aparente de una carga se obtiene a partir de su potencia nominal (corregida si es necesario) y de la aplicación de los siguientes coeficientes: 𝑆𝑛 = 𝑃𝑛 /(𝜂 ×
𝑐𝑜𝑠 𝜙) ; donde η es el rendimiento eléctrico del dispositivo y 𝑐𝑜𝑠 𝜙 es el factor de potencia.
Sin embargo, es normal suponer, en instalaciones chicas que todos los artefactos tienen un mismo valor de factor de potencia, en cuyo resultado dará un valor de KVA que supera el valor real por un “margen de diseño” aceptable. Habiendo dicho esto, vamos a suponer para nuestro cálculo un factor de potencia, cos ϕ = 0.85 y una eficiencia eléctrica promedio de los artefactos del 93% considerando que los motores eléctricos generales ronda en 87% pero la iluminación LED en 100%. De esta manera la potencia aparente es de:
𝑆𝑛 = 𝑃𝑛 /(𝜂 × 𝑐𝑜𝑠 𝜙)
𝑆𝑛 = 93.6/(0.93 × 0.85) ≈ 120 𝐾𝑉𝐴
Finalmente adoptamos para los cálculos una potencia aparente demandada simultánea de 120 KVA.
1.2.4 Cálculo de sección nominal de los conductores Determinación de la corriente nominal de los circuitos terminales. Para determinar las secciones de los conductores, debemos primero calcular la corriente que circula en cada línea. La corriente que circula por los conductores puede calcularse para cada línea mediante las siguientes ecuaciones:
𝐼𝑛 =𝑃𝑛
𝐸𝑓 𝑥 cos 𝜑
𝐼𝑛 =𝑃𝑛
√3 𝑥 𝐸𝑙 𝑥 cos 𝜑
Donde
𝑃𝑛: Potencia nominal [W] 𝐸𝑓: Tensión de fase [voltios] Argentina 220v
𝐸𝑙: Tensión de línea [voltios] Argentina 380v cos 𝜑: Factor de potencia – estimado 0.85 Respecto al equilibrio de fases, según la AEA, se recomienda que el máximo desequilibrio de las corrientes entre fase no supere el 30%. (Tabla N°16)
Acometida TOTAL ACUMULADO 92,12 160,08 159,58 157,88
Tabla N°16: Distribución de corriente por fase
Selección del conductor Vamos a seleccionar como proveedor a “INPACO conductores eléctricos1”. Son dos los criterios básicos para determinar la sección de un conductor: a) Capacidad máxima de conducción de corriente. b) Máxima caída de tensión admisible.
a) La capacidad máxima de conducción de corriente:
Esta va a depender entre otra cosa de la temperatura del ambiente, el agrupamiento de
circuitos, el tipo de instalación y la cantidad de conductores cargados.
Tipo de instalación: Para los circuitos de iluminación y tomacorrientes generales la
instalación se va a realizar por medio de electroductos aparente sobre pared o embutido en
mampostería con conductores multipolares x3 (fase, neutro y tierra). Este tipo de instalación
es del tipo B2, según catálogo de INPACO. La AEA dispone de tablas para la selección de
los electroductos en función de la cantidad y dimensión de los cables a transportar, debiendo
cumplirse por norma que el área de los conductores, incluyéndose la aislación, no debe
Para las cargas directas monofásicas vamos a utilizar cables multipolares x3, transportados
sobre bandejas portacables perforadas, siendo la misma clasificadas como instalación del
tipo E. Para los circuitos trifásicos también se van a utilizar bandejas perforadas para su
distribución, pero en este caso el conductor va hacer un multipolar x4 (tres fases más
neutro) siendo del tipo E según catálogo.
Las bandejas portacables son conjuntos de unidades que conformar un sistema estructural
utilizada para sujetar y soportar en forma segura los cables eléctricos. Son del tipo “chapa
perforada”. En las bandejas sólo se pueden instalar como conductores activos, cables
unipolares o multipolares con vaina o envoltura de protección, salvo el conductor de
protección a tierra que puede colocarse sin vaina o desnudo. Alrededor de las bandejas de
cables, debe dejarse un espacio considerable para el acceso adecuado a la instalación y
mantenimiento. Como mínimo 20cm entre el borde superior de la bandeja y el cielorraso.
Figura N°14: Instalación tipo E “Bandeja portacables”
Temperatura de funcionamiento: Consideraremos que la temperatura promedio de
funcionamiento se encuentra alrededor de la temperatura ambiente de 24°C.
Cantidad de conductores cargados: Supondremos para cada caso que la cantidad de
conductores cargados es del 100%.
Agrupamiento de circuito: Las capacidades de conducción de corriente para circuitos
simples y para agrupamiento de circuitos deberán ser determinados multiplicando los valores
dados según tipo de instalación, por factores de corrección indicados por el fabricante.
En caso de los circuitos terminales, vamos a considerar, para el dimensionamiento del conductor que la potencia a soportar es el 100% de la potencia nominal, pero en caso de los circuitos principales a los tableros se considerará la potencia simultánea, es decir modificada por un coeficiente de simultaneidad suponiendo que no todas las líneas van a estar en uso. Para el tablero N°1 supondremos un coeficiente de 0.5, para el N°2 un coeficiente de 0.7, el tablero N°3 un coeficiente de 1 y finalmente para el tablero principal (acometida) vamos a suponer un coeficiente de 0.7.
A continuación se detallan las corrientes máximas soportadas por tipo de instalación y se
determina las secciones de cada circuito. (Tabla N°17)
Línea/Circuito terminal
Sector / Equipo Tipo de
instalación Conductor
Corriente de trabajo
[A]
Factor de
correc.
Corriente final [A]
Sección
[mm2]
1.1 Iluminación general B2 multipolar x3 6,0 0,7 8,6 1