iii UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA PROYECTO DE MODERNIZACION DE LOS SERVICIOS BASICOS DE UNA PISCINA DE GESTION MUNICIPAL TESIS PRESENTADA POR EL BACHILLER: PAUL RAMIRO REVILLA COSI PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERIO MECANICO AREQUIPA – PERÚ 2017 iv Dedicatoria A Dios, por haberme permitido llegar a esta etapa y haberme brindado salud para poder lograr mis objetivos. A mis Padres, por darme la vida y creer en mí, por ayudarme a crecer y hacer quien soy, por sus valores que siempre he admirado, por su apoyo incondicional, por sus incontables consejos que me han permitido ser una persona de bien y, sobre todo, por su amor. A mi Hermano, por compartir los buenos y malos momentos y por apoyarme siempre. A mi Novia, por su amor, apoyo y palabras motivadoras, por estar a mi lado todo este tiempo en que he trabajado en este proyecto. A mis Familiares y Amigos, que participaron directa o indirectamente en la elaboración de esta tesis. A los Ingenieros, por su gran apoyo, consejos y motivación para la culminación de mi carrera y para la elaboración de esta tesis. Paul Ramiro v Resumen El presente proyecto consiste en la mejora, modernización e implementación de una Piscina Municipal, ubicada en el distrito de Paucarpata departamento y provincia de Arequipa, a través de distintas herramientas de ingeniería mecánica; este proyecto propone satisfacer la necesidad y demanda de los pobladores de una piscina debidamente temperada y disponible la mayor parte del año, mediante el uso de energía solar por medio de colectores planos para calentar el agua a una temperatura promedio de 24 a 26 grados centígrados, de una capacidad de 572.39 m3, filtrado y purificación del agua con sistema de cloración automático, que mejore los servicios existentes, además de reducir los impactos causados al medio ambiente. Así mismo se prevé climatizar la piscina mediante una cobertura de policarbonato alveolar sobre estructuras de acero, iluminación e instalaciones eléctricas. Esta mejora generara mayores ingresos en el aspecto económico ya que permite la reducción de costos de calentamiento del agua, aumenta el número de visitantes al centro deportivo, mitiga el impacto causado al medio ambiente al emplear energía solar y mejora la calidad de vida de la población del lugar. vi Contenido Capítulo I Introducción ..................................................................................................... 1 1.1 Definición del Problema ..................................................................................... 1 1.2 Justificación ......................................................................................................... 2 1.3 Estado del Arte ................................................................................................... 3 1.4 Objetivos .............................................................................................................. 3 1.4.1 Objetivos generales ..................................................................................... 3 1.4.2 Objetivos específicos .................................................................................. 3 1.5 Alcances ............................................................................................................... 4 1.6 Hipótesis .............................................................................................................. 4 Capitulo II ........................................................................................................................... 5 2.1 Mejoramiento de la Infraestructura .................................................................. 5 2.1.1 Introducción .................................................................................................. 5 2.1.2 Ubicación ....................................................................................................... 5 2.1.3 Limites geográficos ...................................................................................... 5 2.1.4 Superficie ...................................................................................................... 6 2.1.5 Clima .............................................................................................................. 6 2.1.6 Normas Legales y Reglamentos ............................................................ 10 2.1.7 Meta Física ................................................................................................. 10 2.1.8 Ubicación Del Predio ................................................................................. 11 2.1.9 Situación Actual ......................................................................................... 11 2.2 Propuesta De Mejora Arquitectónica ............................................................. 14 2.2.1 Descripción de las modificaciones propuestas. .................................... 14 2.3 Descripción Del Proyecto ................................................................................ 15 2.4 Estructuras ......................................................................................................... 17 2.4.1 Obras Civiles .............................................................................................. 17 2.4.2 Memoria de cálculo de estructura de acero. ......................................... 18 2.4.3 Descripción. ................................................................................................ 18 2.4.4 Especificaciones Técnicas De Las Estructuras De Acero. ................. 18 2.4.5 Códigos Aplicables Y Definiciones. ........................................................ 18 2.4.6 Materiales. ................................................................................................... 19 2.4.7 Electrodos De Soldadura.......................................................................... 19 2.4.8 Protección Contra el Intemperismo. ....................................................... 19 2.4.9 Cargas Muertas. ......................................................................................... 20 Capitulo III Sistema De Calentamiento ....................................................................... 28 vii 3.1 El Sol Como Recurso Energético De Calentamiento ................................. 28 3.1.1 Introducción. ............................................................................................... 28 3.1.2 El Sol. ........................................................................................................... 29 3.1.3 Energía Solar. ............................................................................................. 30 3.1.4 Radiación Solar Extraterrestre Y Constante Solar ............................... 30 3.1.5 Radiación Solar En La Superficie Terrestre. ......................................... 31 3.2 Determinación Del Sistema Optimo .............................................................. 32 3.3 Temperado Solar De La Piscina .................................................................... 34 3.4 Temperatura Media Diaria .............................................................................. 35 3.5 Características Generales de las Piscinas ................................................... 36 3.5.1 Tipo de usuarios. ....................................................................................... 36 3.5.2 Por su utilización. ....................................................................................... 36 3.6 Formas de las Piscinas .................................................................................. 37 3.6.1 Piscinas para natación. ............................................................................. 37 3.6.2 Piscinas para Clavados. ........................................................................... 37 3.6.3 Piscinas de recreación. ............................................................................. 37 3.6.4 Piscinas de recreación privadas.............................................................. 37 3.6.5 Piscinas públicas. ...................................................................................... 37 3.6.6 Profundidad. ............................................................................................... 38 3.7 Características de la Piscina del Proyecto ................................................... 38 3.8 Selección Del Colector .................................................................................... 39 3.8.1 Relación Área-Colector De La Piscina ................................................... 39 3.9 Calculo De La Des humidificación Del Aire .................................................. 40 3.10 Perdidas De Calor Del Agua En El Vaso De La Piscina ............................ 42 3.10.1 Pérdidas Por Evaporación Del Agua Del Vaso. ................................. 43 3.10.2 Pérdidas por radiación de calor de las piscinas ................................. 43 3.10.3 Pérdidas Por Convección De Calor. ..................................................... 44 3.10.4 Pérdidas por transmisión. ....................................................................... 45 3.10.5 Pérdidas por renovación del agua del vaso ........................................ 47 3.11 Balance energético de pérdidas. (Qbe) ........................................................ 48 3.12 Potencia necesaria para puesta en régimen de operación ....................... 49 3.13 Instalación Solar Térmica ................................................................................ 50 3.14 Requerimiento Total Energético Del Sistema(Qte) ..................................... 50 3.15 Recurso Energético Solar. .............................................................................. 51 viii 3.16 Superficie Energética Necesaria .................................................................... 53 3.17 Calculo de numero de colectores solares .................................................... 54 3.18 Cálculo de calentamiento de Agua Caliente Sanitaria (ACS). .................. 57 3.18.1 Calculo de elementos sanitarios ........................................................... 58 3.18.2 Caudal de agua en la instalación .......................................................... 59 3.18.3 Calculo de potencia requerida para agua caliente sanitaria ACS7 . 60 Capítulo IV Instalaciones Hidráulicas .......................................................................... 61 4.1 calculo Del Volumen De Las Piscinas ........................................................... 61 4.2 Calculo y Selección de Equipos ..................................................................... 62 4.2.1 Calculo de volumen de agua de la piscina. ........................................... 62 4.2.2 Calculo del volumen de la patera para niños ........................................ 63 4.2.3 Calculo del Caudal Requerido por el Sistema. ..................................... 64 4.2.4 Caudal de Succión. ................................................................................... 64 4.2.5 Caudal de Rejilla de Fondo. ..................................................................... 65 4.2.6 Selección del Manifold. ............................................................................. 65 4.2.7 Selección del Diámetro de Tuberías. ..................................................... 66 4.2.8 Diámetro de la tubería de aspiración...................................................... 66 4.2.9 Diámetro de la tubería de retorno. .......................................................... 66 4.2.10 Calculo del Tanque de Compensación. ............................................... 67 4.2.11 Calculo del volumen desalojado por usuarios (Vdu): ........................ 67 4.2.12 Selección de la Bomba. .......................................................................... 68 4.2.13 Potencia Hidráulica. ................................................................................ 72 Capítulo V Sistemas Complementarios ...................................................................... 73 5.1 Sistema de Filtración ....................................................................................... 73 5.1.1 Sistema de Filtración (existente) ............................................................. 73 5.1.2 Filtro de Arena. ........................................................................................... 74 5.1.3 Retrolavado ................................................................................................. 75 5.1.4 Selección del filtro de arena. .................................................................... 76 5.1.5 Sistema de Renovación. ........................................................................... 76 5.2 Sistema de Tratamiento de Agua .................................................................. 77 5.2.1 Sistema de Desinfección .......................................................................... 77 5.2.2 Normatividad. ............................................................................................. 78 5.2.3 Características del Sistema Propuesto .................................................. 79 5.3 Instalaciones Eléctricas. .................................................................................. 81 5.3.1 Alcances Del Proyecto .............................................................................. 81 ix 5.3.2 Demanda Eléctrica .................................................................................... 81 5.3.3 Descripción de las Instalaciones Eléctricas. ......................................... 82 5.3.4 Sistema de Puesta a Tierra...................................................................... 85 Capítulo VI Costos ......................................................................................................... 86 6.1 Cuadro Resumen De Costos Del Proyecto. ................................................. 86 Conclusiones y Recomendaciones ............................................................................. 87 Bibliografía ....................................................................................................................... 88 x Lista de Tablas Tabla 1: Datos Históricos del tiempo en Paucarpata ............................................ 8 Tabla 2: Factores de Forma (C)* ........................................................................ 23 Tabla 3: Condiciones de Confort ........................................................................ 33 Tabla 4:Temperatura del agua en las Piscinas ................................................... 36 Tabla 5: Humedad Absoluta ............................................................................... 41 Tabla 6: Balance energético ............................................................................... 48 Tabla 7: Tabla con los horarios de la salida del sol y de la puesta de sol .......... 52 Tabla 8: Caudal de Consumo ............................................................................. 60 Tabla 9: Características geométricas ................................................................. 61 Tabla 10:Velocidad media en tuberías ............................................................... 66 Tabla 11:Valores K ............................................................................................. 69 Tabla 12:Determinacion del control de calidad microbiológica ........................... 78 Tabla 13:Carcateristicas técnicas bomba dosificadora ....................................... 80 Tabla 14:Cuadro de Máxima demanda estimada ............................................... 81 Lista de Figuras Figura 1: Ubicación satelital Fuente: Googlemaps ............................................... 6 Figura 2 Temperatura y precipitación Fuente:Climate-Data.org .......................... 7 Figura 3 Diagrama de temperatura para Paucarpata Fuente: Climate-Data.org . 7 Figura 4: Información de latitud y longitud Fuente: Nasa ..................................... 9 Figura 5: Parámetros Fuente: Nasa ...................................................................... 9 Figura 6: Temperatura Fuente: Nasa ................................................................... 9 Figura 7: Vista Interior Limite con Mercado del Pueblo Fuente: Propia .............. 12 Figura 8: Vista hacia el Ingreso Calle Alfonso Ugarte Fuente: Propia ................ 12 Figura 9: Vista Ingreso Calle Alfonso Ugarte Fuente: Propia ............................ 13 Figura 10:Vista límite con la cancha deportiva Fuente: propia ........................... 13 Figura 11:Vista Fachada Calle Buenos Aires Fuente: Propia ............................ 14 Figura 12:Elevaciones y Corte Fuente: Propia .................................................. 16 xi Figura 13:Vistas de proyecto de mejoras arquitectónicas Fuente: propia ......... 16 Figura 14:Mapa eólico del Perú Fuente: Normas Legales EL Peruano Norma E.020 .................................................................................................................. 24 Figura 15: Modelamiento estructural Fuente: Propia ......................................... 25 Figura 16: Desplazamientos Fuente: Propia ...................................................... 25 Figura 17: Modelamiento estructural conjunto Fuente: Propia .......................... 26 Figura 18: Tijeral critico Fuente: Propia .............................................................. 26 Figura 19: Desplazamientos Fuente: Propia ...................................................... 27 Figura 20: Figura 20: Tijeral Fuente: Propia ...................................................... 27 Figura 21: Conexiones entre la energía solar y otros tipos de energía Fuente: http://ecologiahoy.net .......................................................................................... 28 Figura 22: Estructura física del sol Fuente http://astronomiaparatodos2.blogspot.pe ............................................................ 29 Figura 23: Masa de aire atmosférico Fuente http://astronomiaparatodos2.blogspot.pe ............................................................ 32 Figura 24: Proceso de transferencia de calor y masa. Fuente Noguera Sebastian. Memoria de Calentamiento de una piscina ....................................... 34 Figura 25: Esquema hidráulico de una piscina Fuente: AquaLife ...................... 35 Figura 26:Vista lateral de la piscina Fuente: propia ........................................... 39 Figura 27: Balance Energético Fuente: Citaesa ............................................... 42 Figura 28:Dimensiones del vaso principal Fuente: Propia ................................. 45 Figura 29: Vaso de agua de la piscina semiolímpica Fuente: Propia ................ 46 Figura 30 : horarios de la salida del sol y de la puesta de sol en Arequipa Fuente: sunrisesunset.info .................................................................................. 52 Figura 31: detalles de colector solar Fuente: Propia .......................................... 54 Figura 32: Vista del sistema propuesto Fuente: Googlemaps ............................ 55 Figura 33: Ficha técnica Colectores Fuente: Transsen ...................................... 56 Figura 34: Esquema de funcionamiento Fuente: Aqualife ................................. 56 Figura 35: Colectores Clase “A” Fuente: Transsen ............................................ 57 Figura 36: Vaso de agua de la piscina Fuente: propia ....................................... 63 Figura 37: Vaso de la patera para niños Fuente: propia .................................... 64 xii Figura 38:Curva del sistema de las bombas seleccionadas Fuente: Espa catalogo .............................................................................................................. 70 Figura 39: Características De La Bomba Tifon 300 Fuente: Espa Catalogo ..... 70 Figura 40:Curva de funcionamiento de la bomba seleccionada Tifon 300 Fuente: Espa catalogo ..................................................................................................... 71 Figura 41:Electro bomba con prefiltro Fuente: www.poolaria.com..................... 73 Figura 42:Cesta prefiltro bomba Fuente: piscinasmundoacuatico.com ............. 74 Figura 43: Válvula múltiple Fuente: hidroshop.mx ............................................. 75 Figura 44:Filtro Hayward Fuente: es. Hayward-pool .......................................... 76 Figura 45:Sistema de recirculación Fuente: piscinas-natacion.com .................. 76 Figura 46:Bomba dosificadora Fuente: Iwaki America INC. .............................. 80 Figura 47:Bomba electrónica dosificadora Fuente: propia ................................. 80 Figura 48:Tablero de sala de máquinas Fuente: Propia .................................... 83