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INSTALACIONES ELCTRICASDepsito Legal : Z-2761-1999-- ISBN 8470632108
NDICE
1. DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA1.1. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA 1.2. ELECCIN DE LAS CARACTERSTICAS DE UNA DISTRIBUCIN EN DERIVACIN 1.3. COMPARACIN DE LOS PESOS DE COBRE DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIN
2. ESTABLECIMIENTO Y CLCULO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIN2.1. REDES DE DISTRIBUCIN 2.2. ARTERIAS Y CENTROS DE TRANSFORMACIN 2.3. IMPOSIBILIDAD DE CALCULAR EXACTAMENTE UNA RED DE DISTRIBUCIN 2.4. CLCULO DE LA SECCIN DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS 2.5. CLCULO DE LA SECCIN DE UN DISTRIBUIDOR CERRADO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS 2.6. CLCULO DE LAS SECCIONES DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO RAMIFICADO
3. SISTEMAS DE TARIFACIN DE ENERGA ELCTRICA3.1 AMBITO DE APLICACIN 3.2 DEFINICIN DE LAS TARIFAS
3.3 CONDICIONES GENERALES DE LA APLICACIN DE LAS TARIFAS 3.4 DETERMINACIN DE LOS COMPONENTES DE LA FACTURACIN 3.5 COMPLEMENTOS TARIFARIOS 3.6 TARIFAS ELCTRICAS
4. INTERRUPTORES4.1. INTERRUPTORES 4.2. CONTACTORES 4.3. INTERRUPTORES AUTOMTICOS 4.4. INTERRUPTORES TRMICOS 4.5. INTERRUPTORES MAGNTICOS 4.6. INTERRUPTORES MAGNETO-TRMICOS4.6.1. APLICACIONES DE LOS MAGNETOTRMICOS 4.6.2. CURVAS DE DISPARO
4.7. INTERRUPTORES DIFERENCIALES 4.8. CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE BAJA TENSIN4.8.1. INTENSIDAD NOMINAL MNIMA ADMISIBLE EN UN FUSIBLE aM.
4.9. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN UN PUNTO DE LA LNEA
5. INSTALACIONES INTERIORES DE VIVIENDAS5.1. GRADO DE ELECTRIFICACIN DE VIVIENDAS 5.2. CARGA TOTAL CORRESPONDIENTE A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS 5.3. CARGA TOTAL PARA EDIFICIOS COMERCIALES DE OFICINAS O DESTINADOS A UNA O VARIAS INDUSTRIAS 5.4. SUMINISTRO Y CONSUMO DE POTENCIA REACTIVA 5.5. COMPENSACIN DEL FACTOR DE POTENCIA 5.6. CLCULO DEL CONDENSADOR DE CORRECCIN DEL FACTOR DE POTENCIA 5.7. COMPENSACIN DEL FACTOR DE POTENCIA EN UNA INSTALACIN
5.8. TOMAS DE TIERRA 5.9. MEDIDA DE TOMAS DE TIERRA. TELURMETRO
6. CONCEPTO SPRECHER SOBRE LA PROTECCIN DE MOTORES6.1. PROTECCIN DE MOTORES6.1.1. PROBLEMAS ACTUALES SOBRE LA PROTECCIN DE MOTORES
6.2. RELS TRMICOS BIMETLICOS 6.3. INTERRUPTOR AUTOMTICO DE MOTOR 6.4. PROTECCIN CON SONDAS TRMICAS 6.5. PROTECCIN ELECTRNICA DE MOTORES6.5.1. REL ELECTRNICO DE PROTECCIN DE MOTOR CEF1
6.6. CRITERIOS DE ELECCIN DE UN SISTEMA DE PROTECCIN
7. ELECTRODOMSTICOS7.1. HORNOS MICROONDAS7.1.1. CONFIGURACIN DE UN HORNO MICROONDAS 7.1.2. DESCRIPCIN DE UN HORNO MICROONDAS 7.1.3. COMPROBACIN DE LA POTENCIA DE UN HORNO MICROONDAS
7.2. LAVADORAS
7.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA LAVADORA 7.2.2. CIRCUITO ELCTRICO DE UNA LAVADORA 7.2.3. PROGRAMADOR
7.3. TERMOS ELCTRICOS 7.4. CALEFACCIN7.4.1. COEFICIENTE DE TRANSMISIN DEL CALOR K 7.4.2. DETERMINACIN DEL COEFIIENTE DE TRANSMISIN KG 7.4.3. PRDIDAS SUPLEMENTARIAS 7.4.4. PRDIDAS TOTALES DE CALOR 7.4.5. CONSUMOS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE CALEFACCIN 7.4.6. GASTOS ANUALES DE CALEFACCIN
7.5. AIRE ACONDICIONADO 7.6. CALEFACCIN ELCTRICA 7.7. ACUMULADORES DE CALOR 7.8. BOMBA DE CALOR
8. LUMINOTECNIA8.1. LUMINOTECNIA 8.2. LMPARAS Y SUS COMPONENTES8.2.1. LMPARAS DE INCANDESCENCIA 8.2.2. LMPARAS DE INCANDESCENCIA CON HALOGENUROS 8.2.3. LMPARAS FLUORESCENTES 8.2.4. PEQUEAS LMPARAS FLUORESCENTES 8.2.5. LMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO 8.2.6. LMPARAS DE LUZ MEZCLA 8.2.7. LMPARAS DE MERCURIO CON HALOGENUROS 8.2.8. LMPARAS DE VAPOR DE SODIO A BAJA PRESIN 8.2.9. LMPARAS DE VAPOR DE SODIO A ALTA PRESIN 8.2.10. REACTANCIAS DE DOS NIVELES DE POTENCIA
9. INSTALACIONES DE ALUMBRADO9.1. INSTALACIONES DE ALUMBRADO 9.2. ALUMBRADO DE INTERIORES 9.3. REPRESENTACIN DE LAS CARACTERSTICAS LUMINOSAS DE LAS LMPARAS Y LUMINARIAS 9.4. ALUMBRADO DE EXTERIORES9.4.1. ALUMBRADO PBLICO VIARIO 9.4.2. ALUMBRADO INDUSTRIAL EXTERIOR 9.4.3. ALUMBRADO POR PROYECTORES 9.4.4. ALUMBRADO DEPORTIVO
1.1. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA Se entiende por sistema de distribucin de energa elctrica a la disposicin adoptada por los conductores y receptores, para lograr que la energa generada en las centrales pueda ser utilizada en los lugares de consumo. Fundamentalmente, una distribucin puede realizarse de dos maneras: en serie o en derivacin. Distribucin serie La distribucin serie o a intensidad constante, consiste en conectar todos los receptores uno a continuacin del otro, de manera que la intensidad que pasa por uno de ellos, lo hace tambin a travs de todos los dems. Este sistema de distribucin tiene la ventaja de utilizar un conductor de seccin nica, ya que la intensidad es la misma a lo largo de todo el circuito. El principal inconveniente lo tenemos en la dependencia que existe entre los receptores, ya que si uno cualquiera de ellos se interrumpiera, los dems quedaran tambin fuera de servicio. Otro inconveniente del sistema de distribucin serie, es el de tener que utilizar receptores cuya tensin de alimentacin es variable con la potencia consumida, de manera que los receptores de gran potencia tendrn entre sus extremos tensiones muy elevadas. Por los motivos expuestos, la distribucin serie solamente se utiliza en algunos casos muy concretos, como pueden ser la alimentacin de lmparas de incandescencia en tranvas y trolebuses, en plantas anodizadoras y en baos electrolticos. Distribucin en derivacin Como ya es sabido, la distribucin en derivacin o a tensin constante, consiste en ir conectando en paralelo los distintos receptores a lo largo de una lnea de dos o ms conductores. El principal inconveniente de una distribucin en derivacin es la enorme dificultad que se encuentra ante el deseo de mantener constante la tensin de alimentacin, a lo largo del circuito. No obstante, esta distribucin es la que se utiliza en la casi totalidad de los casos, minimizando el inconveniente de la cada de tensin, a base de colocar conductores lo ms gruesos posible, tanto como lo permita la economa.
1.2. ELECCIN DE LAS CARACTERSTICAS DE UNA DISTRIBUCIN EN DERIVACIN Las caractersticas fundamentales de una distribucin en derivacin son la tensin y el nmero de conductores utilizados. Ya en el Captulo 2 veamos la influencia de la tensin en la seccin de los conductores: "Las secciones estn en razn inversa del cuadrado de las tensiones", es decir, cuanto mayor sea la tensin utilizada en la distribucin, menor ser el peso de conductor empleado. Naturalmente, en el transporte de energa no existe ms limitacin de la tensin que la correspondiente a la tecnologa de los componentes que intervienen, tales como interruptores, aisladores, transformadores, etc., pero en distribucin tendremos como lmite el de la seguridad de las personas que van a manejar los receptores elctricos. En los inicios de la electricidad, las tensiones de distribucin eran muy bajas, 63V y 125V., pero hoy en da, con la utilizacin de materiales plsticos, magnetotrmicos, diferenciales, tomas de tierra, etc., se puede llegar a distribuir con tensiones del orden de 220 y 380V., sin riesgo excesivo para las personas. Tambin en el Captulo 2 veamos la comparacin entre lneas bifsicas en continua y bifsicas en alterna, as como tambin, la comparacin entre bifsica y trifsica. El resultado fu que la alterna trifsica utilizaba pesos de conductores notablemente menores, por lo que ste era uno de los motivos por los que el transporte se haca en trifsica. Para la distribucin tambin puede hacerse el mismo razonamiento, por lo que fcilmente llegaremos a la conclusin de que las distribuciones actuales se hacen en trifsica y a tensiones que no suelen superar los 380V. Dentro de las distribuciones trifsicas, la ms interesante es la estrella a cuatro hilos, la cual nos permite disponer de una serie de variantes que tendrn ms o menos aplicacin segn sea el caso. En la siguiente figura representamos la disposicin general de una alimentacin a un centro de transformacin C.T., para la distribucin a tres hilos ms neutro. Una lnea de media tensin, por lo general 10 15 kV., alimenta un transformador cuyo primario esta conectado en tringulo, y el secundario en estrella. Del centro de la estrella se obtiene el neutro, cuarto conductor conectado a tierra. As constituido, el sistema de distribucin a cuatro hilos, y suponiendo que la tensin entre una cualquiera de las fases y el neutro es de 220V., la tensin compuesta entre las distintas fases ser:
En ocasiones tambin encontraremos, a extinguir, distribuciones a 125/220V. Veamos seguidamente las variantes que podremos realizar con un sistema de distribucin trifsica en estrella, con neutro: a) Tres derivaciones a 220 V Obtenidas entre una cualquiera de las fases y el neutro, se verifica para cada una de ellas que:
Se utiliza para alimentar, a 220V., receptores o grupos de receptores de pequea potencia. Esta disposicin equivale a una conexin de receptores en estrella, tal y como ms adelante indicaremos. b) Tres derivaciones a 380 V Se obtienen entre fases de la red, verificndose para cada una de ellas que:
Como en el caso anterior, se utiliza para alimentar, a 380 V, un receptor o grupos de receptores, de pequea potencia.
c) Una derivacin en tringulo Cuando se hace uso de las tres fases y stas alimentan a un receptor conectado en tringulo, con sus fases uniformemente cargadas, se verifica que:
Se utiliza para alimentar receptores trifsicos de gran potencia, conectados en tringulo. d) Una derivacin en estrella Cuando se hace uso de las tres fases y del hilo neutro, suponiendo que las tres fases estn uniformemente cargadas, se verifica que:
Esta disposicin se utiliza para alimentar receptores trifsicos de gran potencia, conectados en estrella, con o sin neutro. Tambin se utiliza para conectar grupos de receptores monofsicos en estrella, como es el caso del alumbrado viario. Ahora, la utilidad del hilo neutro es evidente, ya que si por alguna causa se produce un desequilibrio, la intensidad se cierra por el neutro, evitando con ello el correspondiente desequilibrio de tensiones. Es por este motivo por el que nunca deben colocarse fusibles en el hilo neutro. El sistema de distribucin a cuatro hilos es el preferido para una red trifsica, sobre todo para los casos de alumbrado o para alumbrado y fuerza motriz. Es aconsejable la utilizacin de transformadores con conexin Dy o Yz, de manera que cuando la carga est muy desequilibrada, este desequilibrio tenga menor influencia en el primario del transformador, en la lnea y en los generadores.
9.4. ALUMBRADO DE EXTERIORES El alumbrado de exteriores trata de proporcionar el nivel de iluminacin adecuado en todos aquellos lugares al aire libre que por un motivo u otro lo necesitan. Estos motivos pueden ser muy variados, como por ejemplo: tursticos, deportivos, estticos, de seguridad ciudadana, de seguridad vial, etc.. Seguidamente ofrecemos una tabla de valores de niveles de iluminacin que se suelen utilizar en alumbrados exteriores. ALUMBRADO DE EXTERIORES Espacio a iluminar Niveles de iluminacin en lux Bueno 1.- Alumbrado pblico Autopistas Carreteras con trfico denso Carreteras con trfico medio Calle de barrio industrial Calle comercial con trfico rodado Calle comercial sin trfico rodado importante Calle residencial con trfico rodado Calle residencial importante Grandes plazas Plazas en general Paseos Tneles: - Durante el da - Alumbrado de acceso - Durante la noche 2.- Alumbrado industrial exterior Zonas de transporte Lugares de almacenaje Alumbrado de vigilancia Entradas 3.- Alumbrado por proyectores Campos de ftbol 300 1.000 20 20 5 50 40 40 10 100 100 1.000 30 200 2.000 60 sin trfico rodado 20 15 10 10 10 7,5 7,5 5 20 8 12 40 30 20 20 20 15 15 10 25 12 16 Muy bueno
Pistas de tenis Pistas de patinaje
100 10
300 30
Para nuestro propsito, dividiremos el alumbrado exterior en tres apartados: * Alumbrado pblico viario. * Alumbrado industrial exterior. * Alumbrado por proyectores.
9.4.1. ALUMBRADO PBLICO VIARIO El alumbrado pblico viario se localiza en aquellos lugares abiertos al trnsito, siendo su finalidad la de favorecer la circulacin nocturna y evitar los peligros que origina la oscuridad. El alumbrado viario se consigue mediante luminarias ubicadas sobre postes o mstiles especiales, existiendo, principalmente, cuatro formas diferentes de colocacin: a) Unilateral Esta disposicin de las luminarias consiste en la colocacin de todas ellas a un mismo lado de la calzada. Se utiliza solamente en aquellos casos en los que el ancho de la va es igual o inferior a la altura de montaje de las luminarias.
b) Tresbolillo Consiste en la colocacin de las luminarias en ambos lados de la va, al tresbolillo o en zigzag. Se emplea principalmente en aquellos casos en los que el ancho de la va es de 1 a 1,5 veces la altura de montaje.
c) En oposicin Esta disposicin sita las luminarias una enfrente de la otra, y suele utilizarse cuando el ancho de la va es mayor de 1,5 veces la altura de montaje.
d) Central con doble brazo
Este caso se utiliza en autopistas y vas de dos calzadas. En realidad se trata de una colocacin unilateral para cada una de las dos calzadas; en ocasiones tambin se coloca frente a ellas otras luminarias, dando lugar a disposiciones dobles en oposicin, o al tresbolillo. Estas son las cuatro maneras de colocacin ms comnmente utilizadas, aunque pueden existir otras muchas. La experiencia acumulada en el alumbrado pblico, recomienda una serie de requisitos que deberemos de tener presente a la hora de los clculos, sin que ello suponga una imposicin que
pueda limitar la actuacin del proyectista. Seguidamente exponemos algunas de ellas. La altura a la que deberemos situar las luminarias, en cierto modo depende de la potencia luminosa instalada, por lo que deberemos de tener presente la siguiente tabla:
ALTURA RECOMENDADA SEGN EL FLUJO LUMINOSO DE LA LUMINARIA Potencia luminosa (lmenes) 3.000 a 9.000 9.000 a 19.000 > 19.000 Altura de la luminaria (metros) 6,5 a 7,5 7,5 a 9 9
Segn sea la iluminacin media que queremos obtener, as deber ser la relacin entre la distancia de separacin de luminarias y su altura: RELACIN ENTRE SEPARACIN Y ALTURA SEGN EL NIVEL DE ILUMINACIN Iluminacin media (lux) 2 Em < 7 7 Em < 15 15 Em 30 Relacin Separacin / Altura 4a5 3,5 a 4 2 a 3,5
Al igual que en alumbrados interiores, en el alumbrado pblico tambin deberemos tener en cuenta el coeficiente de mantenimiento por ensuciamiento y por depreciacin del flujo luminoso. El coeficiente por ensuciamiento que deberemos aplicar en cada caso, lo mostramos en la tabla siguiente: FACTOR DE MANTENIMIENTO POR ENSUCIAMIENTO Tipo de luminaria Hermtica Ventilada Abierta Factor recomendado 0,80 a 0,87 0,70 a 0,80 0,65 a 0,75
Los fabricantes de luminarias, adems de suministrar las curvas Isolux, deben de suministrar
tambin unas curvas llamadas "curvas de utilizacin", que en funcin de la tangente del ngulo formado entre la luminaria y la zona a iluminar, nos da el tanto por ciento del flujo utilizado correspondiente a la calzada y a la acera. Vamos a dividir el estudio detallado de este coeficiente en cuatro casos, para una mayor comprensin, teniendo siempre presente que nos referimos a la iluminacin de la calzada y no a la de las aceras: 1) Cuando la vertical que pasa por la luminaria coincide justamente con el final de la calzada y el principio de la acera. En este caso, el flujo correspondiente a la zona de acera (curvas Isolux), se utiliza para iluminar la acera, y el flujo correspondiente a la zona de calzada se utiliza para iluminar la misma.
2) Cuando la vertical que pasa por la luminaria cae dentro de la calzada. Ahora la zona correspondiente a calzada se utiliza para iluminar la calzada, y parte de la zona de acera se utiliza tambin para iluminar la calzada.
3) Cuando la vertical que pasa por la luminaria cae dentro de la acera. En este caso parte del flujo luminoso de la zona de calzada se utiliza para iluminar la acera.
4) Cuando se utiliza iluminacin central con doble brazo. Este caso difiere notablemente de los anteriores, ya que ahora hay que contar con parte de la zona de acera, de una de las calzadas, que ilumina la otra calzada.
Lo visto hasta ahora ya nos permite iniciar el proceso de clculo de un alumbrado viario. Si tenemos presente lo expuesto para el alumbrado de interiores, fcilmente deduciremos que:
En la que: E = Nivel de iluminacin en lux. t = Flujo luminoso mximo de cada luminaria en Lmenes. A = Ancho de la calzada en metros. D = Separacin entre luminarias en metros. Cu = Coeficiente de utilizacin. Por ejemplo, consideremos la realizacin de un alumbrado viario con la luminaria de BJC (F2211-W-25.000 Lm.), siendo la anchura de la calle, A=10 m., y el nivel de iluminacin deseado de 32 lux. Se trata, pues, de determinar la separacin a que deberemos colocar las luminarias para obtener el nivel de iluminacin mencionado. Segn lo dicho anteriormente, para un flujo luminoso de 25.000 Lm., se recomienda colocar la luminaria a una altura igual o superior a los 9m. Tomamos H = 9m. Siendo A = 10 y H = 9, la distribucin de las luminarias se recomienda sea al tresbolillo. Suponiendo que la vertical de la luminaria se va a situar 1,5 metros dentro de la calzada, tendremos:
por lo tanto, el coeficiente de utilizacin ser:
Con todos estos datos ya podemos calcular la separacin entre luminarias.
Deliberadamente no hemos tenido en cuenta el factor de mantenimiento, ya que se supone que lo hemos incluido al dar el valor del nivel de iluminacin, es decir, hemos supuesto inicialmente un nivel de iluminacin un tanto por ciento mayor que el que se necesita, previendo una cierta depreciacin. Con esto ya tenemos resuelto el problema, pero al igual que en el caso de alumbrados interiores, para una mayor seguridad en los resultados, sera deseable conocer el nivel de iluminacin en una serie de puntos de la calzada, con el fin de poder determinar lo que ms adelante llamaremos factor
de uniformidad y que en realidad no ser otra cosa que la relacin entre el valor mnimo y mximo de una serie de valores obtenidos sobre la calzada. Veamos la manera de obtener el nivel de iluminacin de un punto, mediante las curvas Isolux. Sea el punto P situado a 4 metros de la acera y a 7 metros de la luminaria L0; dicho punto tendr una iluminacin igual a la suma de las iluminaciones aportadas por L0, L1, L2, L3, etc..
Lo primero que deberemos hacer es determinar la escala con la que representaremos, sobre las curvas Isolux, las situaciones de los distintos puntos del problema. La escala, teniendo en cuenta que la distancia 0-H en el plano de las curvas es de 48 mm y que la altura real para las luminarias es de H = 9 metros, tendremos que:
es decir, que 1 metro en la realidad equivale a 5,3 mm en el plano del dibujo. Con esta escala, y partiendo del punto cero, como posicin de la luminaria, situaremos el punto P, que se encuentra a 4 metros de la acera y a 7 de la luminaria L0. Seguidamente dibujamos la situacin del punto P con respecto a la luminaria L1, que estar a 10 - 4 = 6 metros de la acera opuesta, y a 20 - 7 = 13 de la luminaria. El siguiente punto en influencia, el L2, se encuentra a 6 metros de la acera opuesta, y a 20 + 7 = 27 metros de la luminaria. Finalmente, la influencia de L3 puede despreciarse en este caso, ya que se encontrar en la misma lnea que L0, pero a una distancia de 20 + 13 = 33 metros, con lo que le corresponde una iluminancia menor de un lux. Es conveniente recordar que las curvas Isolux, para este tipo de luminarias, resultan ser simtricas, por lo tanto, lo que dibujemos en este semiplano es vlido tambin para el otro. Cada uno de estos puntos se halla situado sobre una curva de nivel E0 = 65 lux. E1 = 25 lux. E2 = 3 lux. Et = 93 lux.
Total:
As, sobre las curvas Isolux tenemos una iluminacin de 93 lux, referida a 1.000 Lm. y a 1 m., pero como las condiciones reales son distintas, f = 25.000 Lm, H = 9 m., despus de la transformacin resultar ser de:
Habamos calculado la iluminacin para 32 lux de media y nos sale para el punto P una iluminancia de 28 lux, lo cual nos indica que los clculos pueden estar bien desarrollados, aunque segn podemos apreciar quedan un poco por debajo de lo previsto, al menos para el punto considerado. Con el fin de conseguir un procedimiento racional en la determinacin del nivel de iluminacin de
una serie de puntos de la calzada y de la acera, se ha creado el llamado "Mtodo de los 12 puntos". Este mtodo consiste en dividir el ancho de la calzada en tres partes iguales y en dos la zona de aceras, de A a F, y la distancia entre luminarias en cuatro, cogiendo al menos tres de ellas, del 1 al 9, formando as una serie de cuadrculas a lo largo de la calzada, que determinan 12 puntos fundamentales, del P1 al P12, pertenecientes a la calzada, y 6 puntos, del R1 al R6, pertenecientes a la acera. Este dibujo, obtenido en papel transparente, se coloca encima de las curvas Isolux, de forma que la luminaria tomada como punto de referencia, la ms prxima a P4, caiga justamente en el punto ( 0 ; 0 ) de las curvas Isolux, procediendo seguidamente a la lectura de los valores que sobre las curvas tienen cada una de las intersecciones, A-1, A-2, ..., B-1, B-2, ..., F-1, F-2, ..., anotndolos en la tabla confeccionada a tal fin.
1 A B C D E F Calzada P1 P2 E B1 + E5 + E5 C1 + D5 + D5
2
3
4
5
6
7
8
9
E.K R1 R2
Acera A1 + F 5 + F5 A 2 + F 4 + F 6 + B8
E
P3 P4 P5 P6
D1 + C5 + C5 E1 + B5 + B5 B2 + E4 + E6 + B8 C2 + D4 + D6 + C8 D2 + C4 + C6 + D8 E2 + B4 + B6 + E8 B3 + E3 + B7 + E7 C3 + D3 + C7 + D7 D3 + C3 + D7 + C7 E3 + B3 + E7 + B7
R3 R4 R5 R6
F3 + F3 + F7 + A7 F1 + A5 F2 + A6 + A4 + F8 F3 + A7 + A3 + F7
P7
P8 P9 P10 P11 P12
Seguidamente, teniendo muy en cuenta la simetra del conjunto, confeccionaremos la tabla que va reflejando las iluminaciones en cada punto, y que como ya sabemos, ser la suma de las iluminaciones procedentes de las luminarias ms prximas, generalmente tres o cuatro. Los valores as obtenidos se multiplican por la constante K de adaptacin a los nuevos valores de y de H, y ya tenemos la tabla de los 12 valores reales correspondientes a la calzada. De igual manera procederemos con los 6 valores para las aceras. A la vista de los 12 valores de la iluminacin real obtenida, tendremos un valor mximo, Emax, y un valor mnimo, Emin; as mismo, podremos obtener el valor medio de iluminacin,
De estos tres valores, podremos extraer otros dos que nos darn idea de la uniformidad de la iluminacin conseguida:
Finalmente, teniendo presente que los 12 puntos obtenidos son representativos de ms de la mitad de los puntos comprendidos entre dos luminarias, y como a su vez podemos decir que son simtricas, esto nos permitir dibujar sobre el plano de la calzada las curvas de nivel de iluminacin,
completando con ello el estudio.
A continuacin realicemos el estudio completo de la iluminacin de la calzada y de las aceras que vimos con anterioridad, y del que nicamente pudimos obtener el valor medio aproximado de la iluminacin en la calzada.
En primer lugar, dibujemos en papel transparente y a la escala conveniente (1m. 5,3 mm.), el plano de la calzada y de las aceras con sus correspondiente cuadrculas (A-F y de 1-9), y superpongmoslo sobre las curvas Isolux; luego tomemos los valores necesarios para rellenar la tabla.
1 A B C D E F
2
3
4 9
5 5 6 8 9 7
6 3 3 4 5 4 4
7 0 1 2 3 2 2
8
9
34 26 16
44 33 20 11 90 58 34 17 75 50 30 16 50 37 22 14
13 80 45 22 11
Con los valores de la tabla, podemos obtener los 12 puntos de la calzada, y los 6 de la acera, los cuales una vez multiplicados por la constante K = 0,308, quedarn transformados a las condiciones del problema real ( f = 25.000 Lm.; H = 9 m.).
Calzada P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 44 + 9 + 9 90 + 11 + 11 125 + 8 + 8 75 + 6 + 6 33 + 16 + 4 + 0 58 + 22 + 5 + 0 80 + 17 + 4 + 0 50 + 11 + 3 + 0 20 + 30 + 1 + 2 34 + 45 + 2 + 3 45 + 34 + 3 + 2 30 + 20 + 2 + 1 S E K = 296
E 62 112 141 87 53 85 101 163 53 84 84 53
E .K 19 34 43 26 16 26 31 19 16 25 25 16
Acera R1 34 + 7 + 7 R2 26 + 14 + 4 R3 16 + 22 + 2 R4 50 + 5 R5 37 + 16 + 2 R6 22 + 0 + 16 + 2 S E K = 85
E 48 44 40 55 55 40
EK 14 13 12 17 17 12
La suma de los 12 valores de iluminacin de la calzada valen 296, por lo tanto la iluminacin media resultar ser de:
Tambin podemos determinar la uniformidad media y mnima, siendo:
Para finalizar, si dibujamos sobre el plano de la calzada los puntos de iluminacin obtenidos, podremos hacer una representacin de las curvas de nivel de iluminacin, las cuales nos proporcionarn una visin ms clara de las variaciones del nivel de iluminacin a lo largo de la calzada y aceras.
La iluminacin media obtenida, 24,6 lux, es inferior a la deseada, 32 lux, por lo tanto habr que modificar el valor, o valores, que creamos ms pertinentes, volviendo a repetir el proceso. Sugerimos volver a realizar los clculos disminuyendo en dos metros la separacin entre luminarias, observando luego las diferencias obtenidas. El ejemplo que acabamos de ver se refiere a las luminarias colocadas al tresbolillo, y naturalmente no sirve para el caso de que estn en disposicin unilateral. En esta disposicin los resultados son los indicados en la tabla y tienen un especial significado, ya que con ligeras variaciones, puede servir tambin para resolver el alumbrado deportivo por proyectores, de los que ms adelante hablaremos.
Calzada P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 B1 + E1 + 2E5 + 2B5 C1 + D1 + 2D5 + 2C5 D1 + C1 + 2D5 + 2C5 E1 + B1 + 2B5 + 2E5 B2 + E2 + E4 + B4 + E5 C2 + D2 + D4 + C4+ D6 D2 + C1 + C4 + D4+ D6 E2 + B2 + E4 + B4+ E6 2D3 + 2C3 2C3 + 2D3 2C3 + 2D3 2E3 +2B3
E
E .K R1 R2 R3 R4 R5 R6
Acera A1 + F1 + 2F5+ 2A5 A2 + F2 + F4 + A4+ F6 2A3 + 2F3 F1 + A1 + 2A5 + 2F5 F2 + A2 + A4 + F4 + F6 2F3 +2 A3
E E .K
9.4.2. ALUMBRADO INDUSTRIAL EXTERIOR Se considerar como alumbrado industrial de exteriores a aqul que por su utilizacin est relacionado con una actividad de trabajo y a su vez se encuentre en lugares abiertos. As, por ejemplo, podemos citar como alumbrados industriales exteriores, muelles de carga y descarga de
mercancas, grandes zonas de aparcamiento de vehculos, estaciones de servicio de carreteras, zonas de servicios de naves industriales, etc.. Para este tipo de alumbrado podremos hacer uso de las mismas luminarias que para el alumbrado viario, y por lo tanto, tambin podremos utilizar los mismos procedimientos de clculo. Una particularidad que caracteriza a esta clase de alumbrado exterior es que los niveles de iluminacin que deben adoptarse en cada caso estn condicionados a la actividad en dicho lugar. As, el alumbrado en un muelle de carga de mercancas, est supeditado exclusivamente a las necesidades de dicho trabajo, mientras que en una estacin de servicio en carretera, adems de las necesidades propias del trabajo que en ellas se desarrolla, debern considerarse ciertas motivaciones estticas. Igualmente deberemos tratar el alumbrado del contorno exterior de una nave industrial. En l tendremos una zona de servicios cuyo nivel de iluminacin ser el que corresponda con el trabajo que en ella se desarrolle, pero tambin tendremos una zona de servicios que posiblemente sea zona de fachada y que, por lo tanto, deber drsele un nivel de iluminacin superior, por razones estticas. De todas maneras, como la iluminacin industrial de exteriores se extiende sobre un enorme campo de aplicaciones muy diversos, en cada caso es conveniente hacer un exhaustivo estudio, y de acuerdo con el cliente receptor del proyecto, colocar el nivel de iluminacin ms conveniente en cada caso, teniendo siempre presente que casi nunca podremos decir que la iluminacin conseguida es excesiva. 9.4.3. ALUMBRADO POR PROYECTORES El alumbrado por proyectores tiene un especial significado en la iluminacin decorativa, publicitaria y deportiva, delimitando un importante apartado en el campo de la iluminacin moderna. Las luminarias que normalmente empleamos en el alumbrado viario, por lo general, son inadecuadas en los casos anteriormente citados, ya que ahora lo que se necesita es una mayor concentracin del flujo luminoso, as como tambin un ms exacto control de la luz emitida. Estas dos caractersticas son tpicas de la luminarias llamadas "proyectores". El Comit Internacional de Iluminacin C.I.E., define al proyector como una luminaria en la cual la luz es concentrada en un determinado ngulo slido, mediante un sistema ptico, bien de espejos o bien de lentes, con el fin de obtener una intensidad luminosa elevada. El clculo de un alumbrado por proyectores suele presentar mayores dificultades que un alumbrado viario, debido principalmente a que los proyectores suelen utilizarse con ngulos de orientacin variables, segn los casos, dando lugar a factores de utilizacin muy dispares y de difcil determinacin. Esto elimina la posibilidad de representar los coeficientes de utilizacin de un proyector, por medio de tablas o grficos de aplicacin sencilla y rpida, como hacamos para el alumbrado de interiores y para el viario. En el alumbrado por proyectores deberemos apoyarnos ms frecuentemente sobre las curvas caractersticas, por lo que deberemos conocer con precisin las curvas fotomtricas de intensidad, as como las dems curvas que de ellas pueden obtenerse, tales como las "Isocandelas" y las de "Isolux" referidas a distintas inclinaciones del proyector. As pues, veamos la manera de ir obteniendo las diferentes curvas caractersticas de los proyectores. Sea el proyector 400-IZA-D de INDALUX; de l hemos obtenido en el laboratorio una serie de valores de intensidad luminosa en funcin del ngulo de proyeccin, referidos a sus dos planos
perpendiculares X(0-180)- Y (90-270), y a un flujo de 1.000 Lumen. Por tratarse de un proyector de distribucin simtrica, solamente hemos obtenido los valores de los dos semiplanos X-Y; lo ideal hubiera sido determinar muchos ms puntos pertenecientes a otros planos, para obtener con una mayor precisin el volumen fotomtrico, pero para nuestro propsito esto puede ser suficiente. Con los valores as obtenidos, lo primero que deberemos hacer es representarlos sobre un sistema de coordenadas polares, o mejor an, sobre un sistema de coordenadas cartesianas. Para proyectores, este ltimo sistema de representacin resulta mucho ms recomendable, ya que como hemos dicho, stos disponen de una distribucin del flujo mucho ms concentrada que las luminarias comunes. Una vez determinadas las dos curvas, correspondientes a los planos X-Y, ya podemos darnos una idea de la distribucin luminosa que caracteriza a este proyector, aunque sin duda podremos hacernos una idea todava ms exacta, si de ellas sacamos las curvas "Isocandelas".
= 1.000 Lm.
YI 90 - 270 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
IY Cd 566 540 500 460 380 315 220 140 85 60 45 20 12 6
XI 0 - 180 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
IX Cd 566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18
Para distintas intensidades luminosas, 500, 400, 300, etc., vamos calculando los correspondientes ngulos, marcndolos sobre ejes de coordenadas X-Y. Uniendo ahora los puntos de igual intensidad, obtendremos una serie de curvas "Curvas Isocandelas" simtricas con respecto a sus dos ejes X-Y. Bien es verdad que estas curvas, son aproximadas, ya que deberamos haber obtenido una serie de puntos intermedios que conformasen las curvas dentro de cada cuadrante. Las curvas realmente interesantes para la determinacin de los niveles de iluminacin obtenidos con proyectores, son las de Isolux. Al igual que para el alumbrado viario, si disponemos de las curvas caractersticas correspondientes, no resultar difcil la determinacin del nivel luminoso de un
punto cualquiera del plano iluminado. Dado que los proyectores suelen trabajar con inclinaciones variables, deberemos aprender a obtener las curvas Isolux para la inclinacin que deseemos. CURVAS ISOCANDELAS Luminaria INDALUX 400-IZA-D ; = 1.000 Lm.
Veamos primeramente la manera de obtener las curvas Isolux correspondientes para una instalacin del proyector de cero grados. Segn podemos apreciar en la figura, el nivel de iluminacin en un punto cualquiera del plano iluminado por el proyector, resultar ser:
Las distancias del punto P a los ejes de coordenadas, (YE; XE), se determinan en funcin de H, altura a la que se encuentra el proyector, siendo:
La nica dificultad de las frmulas expuestas la tenemos en la determinacin del ngulo b, pero si nos fijamos en la figura, fcilmente deduciremos que:
de donde:
As, por ejemplo, el proyector 400-IZA-D, situado a una altura de 9 metros, ilumina un punto situado a 3 metros del eje X, YE = 3 m., y a 5 del eje Y, XE = 5 m. Qu nivel de iluminacin tendr dicho punto? En primer lugar determinemos los ngulos correspondientes a dicho punto,
De las curvas de Isocandelas deducimos que para estos ngulos, la intensidad luminosa es de 300 candelas y siendo el ngulo b igual a:
tendremos que:
Este valor est referido a 1.000 Lmenes, pero como el proyector va equipado con una lmpara de 400 W de Vapor de Sodio a Alta Presin, el flujo luminoso ser de 47.000 Lmenes, es decir, 47 veces mayor; por lo tanto, 2,18 47 = 102 Lux. Las curvas Isolux, para el proyector 400-IZA-D, se obtienen partiendo de la tabla de intensidades que dbamos al principio, determinando una serie de puntos referidos a los ejes Y y X. Respecto a los puntos en el eje Y, teniendo en cuenta que XI = 0, sustituyendo en las frmulas anteriormente expuestas, tendremos que:
Estas frmulas, convenientemente ordenadas nos permiten ir obteniendo los sucesivos valores de las intensidades luminosas sobre el eje Y. = 1.000 Lm. ; H = 1 m. YI 90 - 270 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 IY Cd 566 540 500 460 380 300 220 140 85 60 45 20 12 6 cos3b b = YI 1,000 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744 0,649 0,549 0,449 0,353 0,265 0,188 0,125 0,075 EY Lux 566 533 477 414 315 223 142 76 38 21 11 3 1 0,4 YE tag YI H 0,00 H 0,08 H 0,17 H 0,26 H 0,36 H 0,46 H 0,57 H 0,70 H 0,83 H 1,00 H 1,19 H 1,42 H 1,73 H 2,14 H
Siempre que no se indique lo contrario, las curvas Isolux vienen referidas para un flujo luminoso de 1.000 lmenes, y para una altura de la luminaria de 1 metro, as, pues, en nuestro caso H = 1 m. Los puntos de las curvas Isolux que cortan al eje X, los obtendremos teniendo presente que al ser YE = 0,
Al igual que en el caso anterior, obtendremos la correspondiente tabla que nos dar los puntos del eje X. = 1.000 Lm. ; H = 1 m. N 0-180 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 IX Cd 566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18 cos3b b = XI 1 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744 0,649 0,549 0,449 0,353 0,265 0,188 0,125 0,075 EX Lux 566 538 487 423 348 290 227 164 121 77 34 11 4 1 XE tag XI H 0,00 0,08 0,17 0,26 0,36 0,46 0,57 0,70 0,83 1,00 1,19 1,42 1,73 2,13
Uniendo puntos de idntico nivel de iluminacin, obtendremos las curvas Isolux para los valores que deseemos. Tal y como dijimos para las curvas Isocandelas, para una mayor precisin en la confeccin de las curvas, nos faltara determinar una serie de puntos intermedios en cada cuadrante, pero ello no es posible debido a que hemos partido de tan slo dos curvas de intensidades. Como el proyector considerado es simtrico con respecto a los ejes X e Y, sera suficiente con obtener los correspondientes a un slo cuadrante. Cuando al proyector se le da una cierta inclinacin con respecto a la vertical, las curvas Isolux adquieren unas caractersticas especficas que deben ser estudiadas en cada caso. As, supongamos un proyector inclinado un ngulo a con respecto a la vertical. Tal y como vemos en la figura, un punto P del plano iluminado, tendr un nivel de iluminacin:
CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX-IZA-D a = 0 ; = 1.000 Lm. ; H = 1m.
Las distancias del punto considerado a cada uno de los ejes X,Y, sern, segn puede deducirse de la figura:
Especial significado tiene el punto C, pues es aqu donde incide el centro de proyeccin del proyector, y se encuentra del punto O (vertical desde el proyector al plano iluminado) a una distancia igual a:
Veamos ahora la manera de obtener las curvas Isolux para el proyector 400-IZA-D, con un ngulo de inclinacin a = 40. Los puntos del eje Y los obtendremos haciendo XI = 0, en las frmulas anteriormente expuestas, y por lo tanto:
a = 40 ; = 1.000 Lm. ; H = 1 m. YI 40 35 30 IY Cd 85 140 220 b 40 + YI 80 75 70 cos3b 0,017 0,040 EY Lux 2 8 YE tag(40 + YI) H 5,67 3,73 2,74
25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65
300 380 460 500 540 566 540 500 460 380 315 220 140 85 60 45 20 12 6
65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25
0,075 0,125 0,188 0,265 0,353 0,449 0,549 0,649 0,744 0,829 0,901 0,955 0,988 1 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744
22 47 86 132 190 254 296 324 342 315 270 210 138 85 59 42 18 10 4
2,14 1,73 1,42 1,19 1 0,83 0,70 0,57 0,46 0,36 0,26 0,17 0,08 0,00 0,08 0,17 -0,26 -0,36 -0,46
De los valores obtenidos es importante destacar en primer lugar la prdida de simetra de las curvas Isolux a 40, con respecto al eje X, y en segundo lugar el hecho de que el nivel de iluminacin en el punto C, centro de proyeccin del proyector, no da el valor mximo como a primera vista podra suponerse; el valor mximo corresponde en este caso, para un ngulo de 25. Tambin es importante destacar que para valores negativos de (40 + YI), es decir, por detrs de la vertical que pasa por la luminaria, los niveles de iluminacin ya son relativamente pequeos. Naturalmente, cuanto mayor sea el ngulo a, menores sern estos valores. El plano que determinaba los valores de intensidad luminosa XI, ahora ya no se proyecta sobre el eje X, lo hace sobre la recta que pasa por C y es paralela a X, por lo tanto ser sobre este nuevo eje sobre el que determinaremos los valores de EX. Haciendo YI = 0 tendremos:
Con ayuda de estas frmulas ya estamos en posicin de ir determinando los distintos niveles de iluminacin correspondientes al eje que pasa por el punto O y que se encontrar a una distancia del eje Y igual a:
a = 40 ; = 1.000 Lm. ; H = 1 m.
XI 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
IX C 566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18
XE tag XI H 0 0,08 0,17 0,26 0,36 0,46 0,57 0,70 0,83 1,00 1,19 1,42 1,73 2,14
b 40 40,1 40,6 41,3 42,4 43,8 45,5 47,5 49,8 52,5 55,5 58,8 62,5 79,3
cos3b 0,449 0,449 0,437 0,422 0,402 0,375 0,343 0,307 0,267 0,224 0,181 0,138 0,098 0,006
EX Lux 254 244 223 198 169 146 120 92 72 49 23 8 3 -
Ahora ya podemos dibujar las curvas Isolux de la luminaria 400-IZA-D, para una inclinacin de 40. El resultado ser una familia de curvas de igual nivel de iluminacin, simtrica con respecto al eje Y.
CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX 400-IZA-D a = 40 ; = 1.000 Lm. ; H = 1 m.
CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX 400-IZA-D a = 50 ; = 1.000 Lm. ; H = 1 m.
9.4.4. ALUMBRADO DEPORTIVO Dentro del alumbrado por proyectores, tenemos el alumbrado deportivo, que ltimamente ha alcanzado un auge extraordinario. Segn sea el deporte elegido y su aplicacin especfica, as ser el nivel de iluminacin a aplicar, por lo que seguidamente mostramos algunos valores de iluminacin recomendados en cada caso. Balonvolea Competicin Entrenamiento Boxeo Campeonatos Profesional Aficionados
200 100 5.000 2.000 1.000
Frontn Club Entrenamiento Ftbol 1 Divisin 2 Divisin 3 Divisin Torneos juveniles Entrenamiento Pistas de patinaje sobre hielo Pistas de competicin Estanques o lagos Tenis. Una pista Campeonato Club Entrenamiento
200 100 1.000 500 300 200 100 50 10 300 200 100
La resolucin de estos problemas puede hacerse analticamente, punto por punto o grficamente, de idntica forma a como hacamos para el alumbrado viario. Sea por ejemplo una pista de tenis, que queremos iluminar con el proyector 400-IZA-D. Una solucin a primera vista viable, sera utilizar seis proyectores montados en otros tantos postes de 10 metros de altura y con una inclinacin de 40, tal y como mostramos en la figura. Sobre la pista, los 15 puntos que consideramos de mayor importancia los representamos sobre el dibujo, y observamos que es suficiente con determinar solamente 6, ya que el resto de los puntos son iguales por tratarse de un dibujo simtrico.
Al igual que hicimos para el alumbrado viario, iniciemos el proceso determinando la influencia que tiene cada uno de los seis proyectores, sobre cada uno de los seis puntos en cuestin. Seguidamente, llevemos sobre las curvas Isolux el dibujo de la pista de tenis, naturalmente a la misma escala de las curvas, 31/10, y determinemos el valor del nivel de iluminacin que le corresponde a cada punto. Puesto que se trata de curvas referidas a 1 metro de altura y a 1.000 Lm., y el caso que tratamos de resolver utiliza postes de 10 metros de altura y proyectores con lmparas de vapor de mercurio a alta presin de 400 W. (47.000 Lm.), los valores obtenidos los multiplicaremos por una constante de correccin cuyo valor ser:
E P1 P2 P3 P4 P5 P6 C3 + A3 + C1 + A1 2C2 + 2A2 C3 + A3 + 2A1 + 2C1 2B3 + 2B1 4B2 2B3 + 4A1 320 + 75 + 12 + 17 285 + 260 320 + 75 + 217 + 214 2220 + 220 4105 2220 + 417 423 280 451 460 400 484
EK 198 131 211 216 188 227
El nivel de iluminacin obtenido para estos seis puntos, nos da idea de la distribucin de la iluminacin sobre la pista, pudiendo obtener el valor medio de iluminacin, as como el valor de uniformidad media y mnima, de manera anloga a como hacamos para el alumbrado viario.
A la vista del dibujo de la pista sobre las curvas Isolux, podemos apreciar como una gran parte del flujo producido por las lmparas se desperdicia, pudiendo afirmar que el coeficiente de utilizacin de los proyectores resulta ser muy bajo en estos casos, del orden de 0,4 a 0,7. As por ejemplo, aplicando la frmula general del flujo total emitido con respecto a la superficie iluminada, tendremos que el coeficiente de utilizacin ser:
Es decir, que en el caso que nos ocupa, el 100-44,8 = 55,2% del flujo total emitido se desperdicia.
Nada hemos dicho sobre el deslumbramiento, pero se comprende que en un alumbrado deportivo este concepto es de suma importancia. Como es sabido, el ndice de deslumbramiento es funcin de diversas causas entre las que se cuentan la luminancia de los puntos de luz y la posicin de stos dentro del campo visual de los jugadores. La disminucin de la luminancia, o intensidad luminosa por unidad de superficie, tiene difcil solucin, ya que ello obligara a aumentar considerablemente la superficie reflector de los proyectores, con el consiguiente aumento de volumen y peso de los mismos. A base de elevar los puntos de luz sobre la superficie de juego, se consigue controlar el deslumbramiento, pudiendo admitir que la mnima altura aceptable corresponde a la determinada por la direccin que partiendo de los ojos de un jugador en el centro del campo, forme un ngulo de 20 con la horizontal. Lgicamente, cuanto ms altos se encuentren los proyectores menor ser el deslumbramiento, por lo que seguidamente damos un grfico mediante el cual puede conocerse de una forma aproximada la altura mnima de instalacin en funcin de la anchura del terreno de juego y de la distancia existente entre la base de la vertical que pasa por los proyectores y el borde del rea de juego. Otro alumbrado deportivo muy interesante lo tenemos en los campos de ftbol. Para fines de entrenamiento, este caso puede resolverse con ocho proyectores equipados con lmparas de mercurio con halogenuros metlicos de 2.000 W. (170.000 Lm.) ya que
Ahora hemos supuesto un coeficiente de utilizacin algo mayor, ya que por tratarse de un nmero mayor de protectores, las prdidas de flujo sern menores. La altura de los proyectores, teniendo en cuenta que la anchura del terreno de juego es de 65 metros y que la distancia de los postes al borde de la cancha es de 5 metros, deber ser como mnimo de 15 metros. Con estos datos ya se puede iniciar el proyecto de iluminacin, debiendo elegir ahora el tipo de proyector a utilizar y la inclinacin que vamos a darles. Como ejercicio adicional dejamos la resolucin grfica, punto por punto, de este caso.
9.3. REPRESENTACIN DE LAS CARACTERSTICAS LUMINOSAS DE LAS LMPARAS Y LUMINARIAS Los clculos que acabamos de ver para el alumbrado de interiores, se han hecho de forma global, en lo que al nivel de iluminacin se refiere. Se comprende que en el plano de trabajo no habr una iluminacin totalmente uniforme, aunque realmente tengamos un nivel medio igual al calculado. Un clculo exacto de la iluminacin, debera contemplar el nivel de iluminacin en todos los puntos del plano de trabajo, y en su defecto, por ser esto prcticamente imposible, debera considerar al menos una serie de puntos distribuidos estratgicamente por toda la superficie considerada. Esta idea aporta un concepto nuevo a la hora de estudiar lmparas y luminarias, ya que segn esto resulta muy til saber como se distribuye la luz emitida por una determinada lmpara y el modo en que la modifica la utilizacin de luminarias. La manera ms simple de representar grficamente la distribucin luminosa de una lmpara o de un conjunto lmpara-luminaria, es a travs de las curvas denominadas de "distribucin luminosa" o curvas "fotomtricas de intensidades". En realidad, las curvas de distribucin luminosa son la representacin grfica de las medidas de las intensidades luminosas efectuadas en las infinitas direcciones que parten del centro de la lmpara o luminaria. La determinacin de cada uno de los puntos situados en un mismo plano se realiza mediante coordenadas polares, el valor de la intensidad luminosa se representa sobre crculos concntricos y se expresa en candelas. La distribucin de las intensidades luminosas emitidas por una lmpara tipo standard, la mostramos de una forma general, para un flujo luminoso de 1.000 lmenes, en la siguiente figura (siempre que no se indique lo contrario estas curvas vienen referidas a 1.000 Lm.). El volumen determinado por los vectores que representan las intensidades luminosas en todas las direcciones, resulta ser simtrico con respecto al eje Y-Y; es como una figura de revolucin engendrada por la curva fotomtrica que gira alrededor del eje Y-Y.
En los casos de simetra del volumen fotomtrico, es suficiente con representar un solo plano que contenga la curva correspondiente, pero no en todos los casos nos encontraremos con volmenes simtricos, por lo que de manera simplificada los fabricantes suelen dar, sobre un mismo plano, dos nicas curvas del total del volumen.
As, en la figura se muestran dos curvas fotomtricas correspondientes a la luminaria de distribucin asimtrica; una de ellas correspondientes con el eje X de la luminaria, y la otra con el eje Y. Con un poco de imaginacin podemos hacernos idea del volumen que determinan estas dos curvas. Veamos seguidamente un ejemplo de aplicacin de las curvas fotomtricas, para valorar su importancia. Sea una lmpara de incandescencia standard de 500W. a 220V., situada a 6 metros de altura. Pretendemos determinar los distintos niveles de iluminacin en puntos situados en un plano horizontal y a distintas crecientes con respecto a la vertical que pasa por la lmpara. As, un punto situado a 1 metro de la vertical, forma un ngulo, con respecto al punto emisor de la luz, de
La intensidad luminosa para este ngulo resulta ser de 145 candelas, para los 1.000 lmenes a que se refiere la curva, por lo tanto para los 8.450 lmenes de la lmpara de 500 W., le correspondern:
Y segn la frmula obtenida en el apartado 12.1, la intensidad luminosa en el punto considerado ser de:
Repitiendo estos clculos para distintos puntos, obtendremos los diferentes niveles de iluminacin que proporciona la lmpara sobre el plano horizontal y en una direccin determinada. Al ser simtrica la curva fotomtrica con respecto a los dos ejes X-Y, en este caso, obtendremos valores idnticos sea cual sea la direccin elegida, por lo tanto los puntos de igual nivel de iluminacin formarn circunferencias concntricas alrededor de la vertical que pasa por la lmpara, (curvas Isolux).
Distancia metros 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Angulo 0,0 9,4 18,4 26,5 33,6 39,8 45,0 49,3 53,1
cos3a
I (1.000 Lm) Candelas 130 145 155 150 135 130 120 110 105
I (8.460 Lm) Candelas 1.098 1.225 1.309 1.269 1.140 1.098 1.014 929 887
E Lux 30,0 32,6 31,0 25,1 18,2 13,8 9,9 7,1 5,3
1 0,960 0,853 0,715 0,576 0,453 0,353 0,275 0,216
Para una gran parte de las aplicaciones es suficiente con la representacin de una o dos curvas fotomtricas de intensidades, las correspondientes a un solo plano o a dos planos perpendiculares. No obstante existen aplicaciones en las que hay que hacer uso de otro tipo de curvas que faciliten la solucin grfica de los problemas. As, del cuadro expuesto anteriormente podemos obtener dos tipos de curvas de gran utilidad prctica, las llamadas "Iso-lux" e "Iso-candelas". A) CURVAS ISOLUX Una forma de representacin, de gran utilidad en la elaboracin de proyectos de alumbrado, se encuentra en las llamadas curvas Isolux, definidas como el lugar geomtrico de puntos de una superficie que tienen igual nivel de iluminacin. Son anlogas a las curvas de nivel de los planos topogrficos, con la salvedad de que ahora en lugar de indicar metros indicaremos lux.
En la siguiente figura hemos representado las curvas Isolux de una luminaria, para alumbrado viario, modelo F-12211 de BJC, junto con las inseparables curvas de utilizacin. Sobre las curvas Isolux distinguiremos dos zonas, una que corresponde a la emisin anterior de la luminaria, es decir, del lado de la calzada, y otra, correspondiente al lado posterior de la luminaria o lado de la acera. Estas dos zonas quedan delimitadas por el plano perpendicular al suelo y paralelo a
la calzada, que pasa por el centro de la luminaria.
Mientras no se diga lo contrario, las curvas Isolux se suministran, para una determinada luminaria, reducidas a la distancia de 1 metro y referidas a 1.000 lmenes. Los ejes de estas curvas estn referidos a mltiplos de H (altura de las luminarias), lo cual nos obliga a utilizar escalas que reduzcan las medidas originales a su equivalente en el plano de las curvas Isolux; por lo tanto, segn el tringulo tendremos:
Esto equivale a decir que una medida A en la realidad equivaldr a otra a/H en el plano del dibujo. As, por ejemplo, H en el plano del dibujo es de 32 mm., y si consideramos que la luminaria est a 10 metros, la escala resultante ser de 32/10=3,2, es decir, que 1 metro en la realidad equivaldr a 3,2 mm. en el plano del dibujo. Puesto que, segn hemos dicho, las curvas Isolux vienen siempre referidas a 1 metro y a 1.000 lux, esto nos obliga tambin a buscar un factor de correccin que adapte los valores de las curvas a otra distancia y a otro flujo luminoso. La adaptacin a otra distancia H se deduce fcilmente si tenemos presente que
Para otro flujo, teniendo en cuenta que para una misma superficie,
Finalmente, el valor del nivel de iluminacin adaptado a las nuevas condiciones, resultar ser:
Por ejemplo, en las curvas Isolux de la luminaria F-12211 y en el punto (0; 1,5H lado acera), le corresponde una iluminacin de 20 lux. Calcular el nivel de iluminacin correspondiente cuando la luminaria lleve una lmpara de 250 W., de vapor de mercurio (25.000 Lm.), y se halle colocada a una altura de 9 metros. Aplicando la frmula tendremos:
La casa Indalux, con el fin de contribuir a una mayor exactitud en los clculos de iluminacin, suele dar las caractersticas de sus luminarias, segn dos sistemas denominados B/BT y C/GM. B) Sistema de representacin B/BT El sistema de representacin B/BT consiste en dar los valores fotomtricos, de 0 a 90, de una serie de planos B con un eje de giro que pasando por el centro de la luminaria resulta paralelo a la
direccin de la calzada. La matriz de intensidades as obtenida puede darnos idea exacta del volumen fotomtrico, pudiendo confeccionarlo a nuestro antojo.
Seguidamente mostramos la matriz de intensidades B/BT, para 1.000 Lm, de una luminaria INDALUX tipo 470-CM.MATRIZ DE INTENSIDADES B/BT B/BT -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 3 3 3 5 10 14 19 22 25 28 27 26 24 21 19 16 12 8 4 10 2 2 3 7 14 21 41 66 88 105 101 93 80 63 43 21 15 9 4 15 2 3 4 10 18 40 78 117 152 182 172 157 137 114 88 56 19 12 4 20 2 3 8 16 48 83 114 164 204 239 230 212 185 146 111 74 37 12 4 25 2 3 9 36 81 119 158 195 233 263 255 244 216 178 130 84 48 13 4 30 2 4 8 52 98 146 185 214 242 255 253 245 219 182 139 87 37 12 4 35 1 3 15 61 106 153 188 214 234 235 232 221 205 170 131 85 41 13 3 40 0 3 23 69 110 144 171 196 211 218 217 200 177 150 115 79 43 13 2 45 0 3 30 75 107 131 153 174 193 210 208 188 162 134 107 65 43 13 2 50 0 4 34 77 104 121 141 167 184 202 200 183 160 124 100 78 46 13 2 55 0 4 37 79 101 116 145 163 181 198 199 183 161 131 98 77 48 14 2 60 0 4 41 80 97 115 139 160 183 198 204 188 161 132 103 79 49 15 2 65 0 5 44 79 94 114 136 157 184 202 209 189 161 131 104 79 50 15 2 70 0 5 47 79 93 110 133 157 186 214 213 190 160 131 101 77 49 16 2 75 0 4 49 79 91 110 133 161 191 222 218 197 158 130 99 76 52 17 2 80 0 3 51 80 92 112 134 162 200 227 223 201 157 128 100 76 55 17 2 85 0 4 52 80 93 116 145 168 204 227 225 199 160 128 100 76 56 18 2 90 0 4 52 81 93 117 145 170 202 227 227 202 162 129 101 77 56 18 2
C) Sistema de representacin C/GM Este sistema de representacin da los valores fotomtricos de 0 a 90 de una serie de semiplanos C, comprendidos a un lado de la luminaria y entre los ngulos 90-0-270.
Posiblemente sea este sistema de representacin el ms comnmente utilizado, sobre todo para realizar clculos por ordenador.
Seguidamente mostramos la matriz de intensidades C/GM, para 1.000 Lm, de una luminaria INDALUX tipo 470-CM.MATRIZ DE INTENSIDADES C/GM PARA 1000 LM. DE LMPARA C/GM 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 350 340 330 320 310 300 290 280 270 0 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 5 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 10 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 222 218 218 214 210 206 202 202 15 218 218 218 222 222 222 222 222 222 222 214 210 202 198 194 190 186 186 186 20 202 202 202 214 214 214 214 218 214 214 202 194 186 182 178 170 170 170 170 25 178 178 182 190 198 202 206 210 210 202 194 186 174 166 162 154 154 158 158 30 162 162 162 170 178 186 202 206 206 198 190 182 166 154 145 141 137 145 145 35 141 141 145 154 166 178 190 198 202 198 186 174 162 145 137 129 125 133 133 40 129 129 133 141 154 166 178 190 202 202 186 170 158 141 129 117 113 117 117 45 113 113 121 129 137 154 170 186 206 210 190 170 154 137 121 109 101 101 101 50 101 101 105 113 125 137 158 186 214 218 206 170 137 121 109 97 93 93 93 55 85 85 89 101 109 113 145 190 227 235 231 182 137 113 101 93 89 89 89 60 77 77 79 87 91 105 141 202 251 255 231 186 137 109 97 89 83 81 81 65 68 68 68 77 81 93 129 198 251 263 202 170 121 93 85 74 70 70 70 70 56 56 52 58 64 60 113 170 227 239 154 125 89 72 58 54 52 52 52 75 40 40 36 40 44 50 77 121 154 182 85 72 50 38 32 30 30 28 28 80 18 18 18 18 20 24 32 68 97 105 20 16 8 6 6 6 6 4 4 85 6 6 6 6 6 8 12 16 20 28 4 4 4 2 2 2 2 2 2 90 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 2 2 2 0 0 0 0 0 0
Por ejemplo, supongamos la luminaria INDALUX 470-CM, con una lmpara de vapor de mercurio de 250 W, a la que le corresponden 12.000 lmenes. La luminaria est a 9 metros de altura y pretendemos calcular el nivel de iluminacin en un punto localizado, segn la representacin C/GM, en C= 80 y GM= 40.
Segn la matriz de valores para esta luminaria, le corresponde una intensidad de 129 candelas, que referidas a los 12.000 lmenes que da la lmpara, tendremos:
siendo el nivel de iluminacin, en el mencionado punto:
9.2. ALUMBRADO DE INTERIORES Esta clase de alumbrado tiene por objeto proporcionar la iluminacin adecuada en aquellos lugares cubiertos donde se desarrollan actividades laborales, docentes, o simplemente de recreo. En cada caso especfico podremos recomendar un determinado nivel de iluminacin, pudiendo ver en la tabla que seguidamente mostramos, los niveles ms comnmente utilizados. TABLA I ALUMBRADO DE INTERIORESNiveles de iluminacin en lux
Clase de trabajoBueno Muy bueno
1. Oficinas Salas de dibujo Locales de oficina (mecanografa, escritura, etc.) Lugares trabajo discontinuo (archivo, pasillo, etc.) 2. Escuelas. Aulas Laboratorios Salas de dibujo Talleres 3. Industrias. Gran precisin (relojera, grabados, etc.) Precisin (ajuste, pulido, etc.) Ordinaria (taladros, torneado, etc.) Basto ( Forja, laminacin, etc.) Muy basto (almacenaje, embalaje, etc.) 4. Comercios. 2.500 1.000 400 150 80 5.000 2.000 800 380 150 250 300 400 250 500 600 800 500 750 400 75 1500 800 150
Grandes espacios de venta Espacios normales de venta Escaparates grandes Escaparates pequeos
500 250 1.000 500
1.000 5.000 2.000 1.000
Despus de un minucioso reconocimiento del lugar a iluminar y conocida la actividad a desarrollar en el local motivo de estudio, lo primero que debemos hacer es concretar el nivel de iluminacin que se necesita. Seguidamente pasemos a definir una serie de coeficientes y variables que son de suma importancia en el proyecto de un alumbrado. A) COEFICIENTE DE UTILIZACIN Al cociente entre el flujo luminoso que llega al plano de trabajo (flujo til), y el flujo total emitido por las lmparas instaladas, es lo que llamaremos "Coeficiente de utilizacin".
Este coeficiente depende de diversas variables tales como la eficacia de las luminarias, la reflectancia de las paredes, y las dimensiones del local. La luminaria, aparato utilizado para soportar, alojar y distribuir el flujo luminoso de las lmparas, tiene una relativa incidencia sobre el coeficiente de utilizacin, segn se trate de un sistema de iluminacin directo, semidirecto o a travs de difusores. El sistema directo o semidirecto tiene escasas prdidas, no llegan al 4%, mientras que los sistemas a travs de difusor tienen unas prdidas comprendidas entre el 10 y el 20%. La reflexin de la luz sobre las paredes del local juega un importante papel sobre el coeficiente de utilizacin. De la totalidad del flujo luminoso que incide sobre las paredes, una parte se refleja, mientras que otra es absorbida y anulada, dependiendo la proporcin de una y otra, del color de las paredes. Por ejemplo, en un local pintado de blanco, el flujo total que incide sobre las paredes se ve reflejado en un 70%, mientras que un 30% es absorbido. Por el contrario, si est pintado de un color oscuro, solamente el 10% de la luz incidente es reflejada, mientras que el 90% es absorbida. Aunque se pueden diferenciar un gran nmero de colores y tonalidades, para nuestro propsito ser suficiente diferenciar cuatro tonalidades diferentes, segn se indica en la tabla que mostramos siguiente. Tabla II Color Reflexin
Blanco Claro Medio Oscuro
70 % 50 % 30 % 10 %
As, el comportamiento del flujo total emitido por las lmparas de un local, es el siguiente: del flujo luminoso total emitido por las lmparas, solamente una parte llega directamente a la superficie de trabajo; otra parte del flujo emitido, se dirige a las paredes, donde, como ya sabemos, una fraccin se absorbe y otra llega a la superficie de trabajo despus de una o varias reflexiones; finalmente, otra parte del flujo luminoso se emite hacia el techo donde, como antes, una porcin se absorbe y otra llega a la superficie de trabajo.
Por ltimo, las dimensiones del local tambin juegan un papel importante sobre el valor del coeficiente de utilizacin. Esto se pone en evidencia con lo expresado anteriormente, "la proporcin de flujo luminoso que llega a la superficie de trabajo depende de la relacin que exista entre el flujo directo y el reflejado". Un local estrecho y alto desperdicia mucho ms flujo luminoso que otro que en proporcin sea ms ancho y ms bajo. Esto equivale a decir que la cantidad de flujo enviado al plano til de trabajo es directamente proporcional a la superficie e inversamente proporcional a la altura. La dependencia de las dimensiones del local a iluminar sobre el coeficiente de utilizacin, se determina mediante una frmula emprica
siendo: K = Coeficiente espacial. A = Anchura del local. L = Longitud del local.
h = Altura til entre las luminarias y el plano de trabajo. As, segn sean las proporciones del local, as ser el coeficiente espacial K, estando comprendido, normalmente, entre 1 y 10. El valor uno corresponder a locales muy estrechos y altos, mientras que el valor diez lo obtendrn locales anchos y bajos. Segn lo expuesto, la interrelacin de estas tres variables es fundamental en la determinacin del coeficiente de utilizacin, y para un mejor entendimiento hemos resumido este concepto en seis tablas, cuya utilizacin resultar imprescindible para obtener el citado coeficiente. Sea, por ejemplo, un local de 4m. de ancho, 6m. de largo y con una altura til, de las luminarias al plano de trabajo, de 2,2 m.; el techo se halla pintado de un color claro mientras que las paredes lo estn con un color medio, y utiliza luminarias de tubos fluorescentes con difusor. Segn estos datos el coeficiente espacial K, queda determinado:
La reflexin del techo ser del 50%, mientras que las paredes la tienen del 30%. Segn estos tres datos, en la tabla correspondiente a los tubos fluorescentes que utilizan difusores, encontramos el valor del coeficiente de utilizacin, siendo en este caso del 38%. Esto quiere decir que del total del flujo luminoso utilizado en este local, solamente se aprovecha el 38%. Obsrvese en esta tabla la enorme influencia que tiene la forma del local sobre el coeficiente espacial. B) FACTOR DE MANTENIMIENTO Una instalacin de alumbrado no mantiene indefinidamente las caractersticas luminosas iniciales. Ello se debe a dos factores, principalmente: 1) A la prdida de flujo luminoso de las lmparas, motivada tanto por el envejecimiento natural como por el polvo y suciedad que se deposita en ellas. 2) A la prdida de reflexin del reflector o de transmisin del difusor o refractor, motivada asmismo por la suciedad. La estimacin de este coeficiente debe hacerse teniendo en cuenta diversos factores relativos a la instalacin, tales como el tipo de luminaria, grado de polvo y suciedad existente en la nave a iluminar, tipo de lmparas utilizadas, nmero de limpiezas anuales y asiduidad en la reposicin de lmparas defectuosas. Todo ello y con la experiencia acumulada a lo largo de los aos, hace posible situar el factor de mantenimiento dentro de lmites comprendidos entre el 80 y el 50%, tal y como se indica en la tabla. Por consiguiente, al calcular el flujo total necesario para obtener un nivel medio de iluminacin, ser preciso tener en cuenta este factor, ya que de lo contrario obtendramos el flujo luminoso del primer da de puesta en funcionamiento de la instalacin, el cual ira degradndose poco a poco hasta llegar a ser insuficiente. Las consideraciones hechas hasta aqu, nos permiten determinar el flujo luminoso necesario para producir la iluminacin E sobre una superficie til de trabajo S. El flujo til necesario ser:
Recordando la definicin hecha para el coeficiente de utilizacin, tendremos que:
por lo tanto:
Este ser el flujo total necesario sin tener en cuenta la depreciacin que sufre con el tiempo, es decir, sin considerar el factor de mantenimiento. Si queremos reflejar este factor en la frmula del flujo total, tendremos:
Siendo: t = Flujo total necesario en Lm. E = Nivel luminoso en Lux. A = Anchura del local en metros. L = Longitud del local en metros. Cu = Coeficiente de utilizacin. fm = Factor de mantenimiento. TABLA III
Conocido el flujo total necesario, podremos obtener el nmero de lmparas a utilizar, ya que
en la que N = Nmero de lmparas necesarias. t = Flujo total necesario. = Flujo de la lmpara elegida. Fcilmente puede deducirse que un mismo flujo luminoso total puede obtenerse mediante muchas lmparas de bajo flujo nominal, o mediante un pequeo nmero de lmparas de elevado flujo nominal. La ventaja de utilizar un elevado nmero de lmparas consiste en que de esta manera se obtiene una gran uniformidad en la iluminacin, pero el mantenimiento resulta ser difcil y caro. Por el contrario, si utilizamos pocas lmparas, la uniformidad en la iluminacin no es buena, aunque de esta manera se obtiene un mantenimiento sencillo y barato. Una vez obtenido el nmero de lmparas, previa determinacin del flujo de la lmpara elegida, deber de elegirse el nmero de lmparas que queremos que lleve cada luminaria, procediendo seguidamente a distribuirlas de una manera lgica y esttica sobre la superficie del techo del local. El resto de los datos elctricos sern inmediatos, tales como potencia activa y reactiva consumida, valor de los condensadores de mejora del factor de potencia, seccin de los conductores utilizados, interruptores, magnetotrmicos, etc. Para mejor comprensin de lo hasta aqu expuesto, veamos seguidamente dos ejemplos. EJEMPLO 1 Se trata de iluminar un local para oficinas donde se supone se van a desarrollar trabajos de mecanografa, escritura, etc. Las dimensiones del local, son: Anchura Longitud Altura A = 6 metros. L = 20 metros. H = 3,35 metros.
El plano de trabajo se sita a 0,85 metros del suelo, por lo que la distancia del plano de trabajo al falso techo es de 2,50 metros. Tanto los techos como las paredes estn pintadas de color claro. Dada la caracterstica del local, se prev un buen mantenimiento y una buena conservacin.
Por tratarse de una oficina, elegimos para la iluminacin plafones con difusor empotrados en el falso techo, conteniendo cada uno de ellos, cuatro tubos fluorescentes de 36W., Blanco Clido. Estos plafones corresponden con el modelo INDALUX 404-FLTN. SOLUCIN Para este tipo de oficina elegimos un buen nivel de iluminacin, que segn la tabla I puede ser de 400 Lux. En primer lugar calculemos el coeficiente espacial del local;
Por tratarse de paredes y techo de color claro, tabla II, tomamos un factor de reflexin para ambos del 50%, por lo que segn la tabla III, el coeficiente de utilizacin ser del 53%, Cu = 0,53. El factor de mantenimiento es bueno, 78%, por lo tanto fm = 0,78. Con estos datos ya podemos determinar el flujo luminoso total:
Como las lmparas fluorescentes Blanco Clido de 36W. tienen un flujo luminoso de 3.000 Lmenes, el nmero de lmparas necesarias, ser:
que en plafones de cuatro lmparas cada uno, hacen un total de diez.
La potencia activa total necesaria, teniendo en cuenta que los balastos consumen 10W, ser:
y la potencia aparente, teniendo en cuenta que el consumo por lmpara es de 0,43A.:
EJEMPLO 2 Se pretende iluminar una nave industrial para trabajos de forja laminacin, etc.. Las dimensiones de la nave, son: Anchura.A = 15 metros. Longitud..L = 72 metros. Altura..H = 7 metros. El plano de trabajo para este tipo de actividades lo situamos a 0,5 metros del suelo, por lo que la distancia del techo al plano de trabajo es de 6,5 metros. El techo es de color medio y las paredes de color oscuro. Para esta iluminacin se elige un reflector simtrico, directo y abierto, con lmparas de vapor de mercurio de 250W.. El modelo de reflector puede ser el INDALUX 440-SFA.
Por tratarse de una nave industrial para calderera, se prev un mal mantenimiento e igual conservacin.
SOLUCIN La tabla I recomienda para este tipo de trabajo una iluminacin de 150 Lux. El coeficiente espacial ser, en este caso:
El techo, de color medio, tiene un coeficiente de reflexin del 30% y las paredes del 10%, por lo que en la tabla II obtenemos un coeficiente de utilizacin del 66%, Cu=0,66. El factor de mantenimiento se supone que ser malo, siendo el reflector de tipo abierto, fm=0,65. Segn esto, el flujo total necesario valdr:
Con lmparas de vapor de mercurio de 250 W., conseguimos un flujo luminoso de 12.000 Lmenes, por lo tanto, el nmero de lmparas que se necesitarn ser de:
Estas 31 lmparas pueden colocarse sobre la superficie del techo de la nave de muchas formas, aunque la solucin que recomendamos es la de colocar las lmparas segn la longitud de la nave, al tresbolillo segn una disposicin 2-1, con un total de 30 lmparas. Como las lmparas de vapor de mercurio de 250 W. llevan un balasto de 16W., la potencia activa total consumida ser de:
y siendo el consumo de cada lmpara de 2,05A, tendremos que:
9. INSTALACIONES DE ALUMBRADO9.1. INSTALACIONES DE ALUMBRADO Como consecuencia de que existen perodos ms o menos largos, durante los cuales hay ausencia total o parcial de la luz natural, se hace necesario sustituir o compensar esta mediante luz artificial. El problema se nos plantea ante la necesidad de disponer de una iluminacin artificial, que si bien dista notablemente de la natural, al menos cumpla unos mnimos establecidos en cuanto a calidad y cantidad. El ojo humano est habituado a altos niveles de iluminacin, proporcionados por la iluminacin natural, por lo que lo ideal sera disponer de niveles similares a aquellos. Sin embargo, y a pesar de contar con fuentes de luz artificial de elevado rendimiento, en muy pocas ocasiones resulta conveniente, bajo el punto de vista econmico, la utilizacin de niveles luminosos de magnitud similar a los proporcionados por la luz del da. La luz del da nos proporciona niveles de iluminacin del orden de 10.000 a 100.000 lux, mientras que artificialmente raras veces sobrepasaremos niveles superiores a los 2.000 lux. Pese a esto, el ojo humano con su enorme capacidad de adaptacin, nos permite obtener sensaciones de bienestar y satisfaccin con niveles tan bajos. Con el fin de diferenciar los procedimientos de clculo utilizados en las instalaciones de alumbrado artificial, estas las dividiremos en dos apartados: * Alumbrado de interiores. * Alumbrado de exteriores. Pasemos seguidamente a su estudio.
8.2. LMPARAS Y SUS COMPONENTES Desde la primera lmpara de Edison, hace ya ms de 100 aos, se ha ido acumulando una gran experiencia en el campo de la iluminacin, que supone una parte muy importante en el conjunto de la electricidad moderna. A lo largo de estos aos se han descubierto nuevos tipos de lmparas a las que se han ido adaptando una serie de componentes y aparatos auxiliares, tales como casquillos, portalmparas, reactancias, etc. Seguidamente exponemos algunos de ellos. Las lmparas pueden ser de muchas clases, cada una de ellas con sus particularidades y caractersticas especficas, que pasamos a estudiar con detalle.
8.2.1. LMPARAS DE INCANDESCENCIA La incandescencia es un sistema en el que la luz se genera como consecuencia del paso de una corriente elctrica a travs de un filamento conductor. Muchos han sido los materiales utilizados para la construccin de filamentos, pero en la actualidad el material de uso exclusivo es el tungsteno o wolframio, cuya temperatura de fusin es del orden de 3.400 C. Con este tipo de filamentos se puede llegar a temperaturas normales de trabajo del orden de 2.500 a 2.900 C, lo cual permite fabricar lmparas de incandescencia de una vida relativamente grande, con rendimientos tambin relativamente grandes, sobre todo si los comparamos con los obtenidos tan slo hace unas cuantas dcadas. El filamento entrara en combustin con el oxgeno del aire si no lo protegiramos mediante una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vaco o se ha rellenado de un gas inerte. Un factor importante que condiciona la vida de un filamento, es el llamado "fenmeno de evaporacin". Dicho fenmeno consiste en que debido a las elevadas temperaturas del filamento,
este emite partculas que lo van adelgazando lentamente, produciendo finalmente su rotura. Para evitar en parte este fenmeno, los filamentos se arrollan en forma de espiral y la ampolla se rellena con un gas inerte a una determinada presin. El gas inerte de relleno suele ser de una mezcla de nitrgeno y argn, aunque tambin suele utilizarse kripton exclusivamente. La ampolla constituye la envoltura del filamento y del gas de relleno, siendo su tamao funcin de la potencia elctrica desarrollada. El material que se utiliz para las primeras lmparas era el cristal, aunque en la actualidad el vidrio a la cal es el ms utilizado. Su forma no est supeditada fundamentalmente a ningn concepto tcnico, siguiendo generalmente criterios estticos o decorativos, por lo que se fabrican segn una extensa variedad de formas. El modelo estndar es el ms corrientemente utilizado.
El casquillo tiene como misin la de recoger los dos hilos que salen del filamento, a travs del vidrio, hacia el exterior; al mismo tiempo sirve como elemento de unin con la red de alimentacin. Existe una gran diversidad de formas y tamaos de casquillos, aunque los ms corrientemente utilizados son los de rosca Edison E-27, para potencias inferiores a los 300W, y la rosca E-40 o Goliat, en lmparas de igual o superior potencia. Para un buen conocimiento del comportamiento de estas lmparas, es necesario tener en cuenta su curva de distribucin espectral de las diferentes radiaciones que la componen. En la figura mostramos la distribucin espectral de una lmpara de incandescencia, tipo estndar, de 500W, en funcin de la energa radiada. De esta curva se deduce que la energa radiada por estas lmparas tiene un carcter continuo y que gran parte de la energa se encuentra en la zona de los colores rojos, mientras que solamente una pequea parte lo hace en la zona del color violeta. De esto se deduce que la luz radiada por este tipo de lmparas se asemeja a la luz solar.
La eficacia luminosa o rendimiento de una lmpara se expresa como el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia elctrica consumida,
La eficacia de las lmparas de incandescencia es la ms baja de todas las lmparas y es del orden de 8 Lm/W para lmparas de pequea potencia y del orden de 20 Lm/W para las de gran potencia. No debemos confundir la eficacia de una lmpara con el rendimiento de la transformacin "energa elctrica energa luminosa". Casi la totalidad de la energa elctrica aplicada a las lmparas se transforma en calor, y solamente una pequesima parte se transforma en luz, es difcil encontrar rendimientos peores. El flujo luminoso de las lmparas de incandescencia no es constante a lo largo de toda su vida. La causa hay que buscarla en el fenmeno de la evaporacin del filamento, ya que por una parte las partculas de tungsteno desprendidas por el filamento se depositan sobre la pared interna de la ampolla ennegrecindola, y por otra parte el adelgazamiento experimentado por dicho filamento hace que aumente su resistencia, lo que provoca una disminucin de la potencia absorbida. Ambos efectos provocan una disminucin del flujo total emitido.
A lo largo de la vida media de una lmpara de incandescencia, la depreciacin de su flujo va aumentando progresivamente y resulta ser del orden del 20% cuando alcanza su vida media. Se considera como vida media de una lmpara al promedio de las vidas o duraciones de un grupo de ellas funcionando en condiciones normales. Este es un dato muy importante a tener en cuenta en cualquier tipo de lmpara, ya que de l depender, fundamentalmente, el mayor o menor rendimiento econmico de la instalacin. La vida media de una lmpara de incandescencia se estima en unas 1.000 horas, es decir, que parte de ellas durarn menos, mientras que otras sobrepasarn esta cifra. La vida media de las lmparas de
incandescencia es la menor de todas las lmparas, no obstante, por sus caractersticas es la que ms se utiliza en el alumbrado de viviendas. La tensin de alimentacin de una lmpara de incandescencia es un factor que afecta a todas sus variables, resistencia elctrica del filamento, corriente, potencia, flujo luminoso, eficacia luminosa y vida media. Hemos representado todas estas variables en la figura, de la que podemos obtener interesantes conclusiones. Es interesante observar cmo vara la vida media de una lmpara, en funcin de la tensin. Un aumento de la tensin de un 30% deja a la lmpara prcticamente sin vida, mientras que una disminucin del 10% aumenta la vida en un 400%. Referente al valor de la resistencia elctrica del filamento de una lmpara de incandescencia, vemos como no resulta ser constante con la tensin, como sera de esperar. Ello se debe a que al aumentar la tensin aumenta su temperatura y con ella su resistencia, como consecuencia de que el tungsteno tiene un coeficiente positivo de temperatura relativamente grande.
El resto de los valores siguen un comportamiento lgico, tal y como puede apreciarse. Hemos observado la vida extremadamente corta de las lmparas incandescentes, su pequea eficacia luminosa, y la enorme influencia que tiene la tensin sobre sus caractersticas fundamentales. Pese a ello y con una antigedad de ms de 100 aos, las lmparas incandescentes siguen alumbrando la casi totalidad de los hogares, ya que no existe nada mejor que las sustituya.
8.2.2. LMPARAS DE INCANDESCENCIA CON HALOGENUROS Las lmparas de incandescencia con halogenuros o simplemente lmparas halgenas no son ms que lmparas de incandescencia perfeccionadas. En las lmparas de incandescencia tiene lugar el ya conocido fenmeno de evaporacin del filamento, que consiste en el desprendimiento de partculas de tungsteno que siguiendo las corrientes de conveccin del gas en el interior de la lmpara, acaban por depositarse sobre la pared interior de la ampolla, ennegrecindola. Si al gas de relleno de una lmpara de incandescencia se le aade una pequea cantidad de yodo en forma de yoduro, en las zonas externas de la lmpara en las que la temperatura es del orden de los 600 C, tiene lugar una reaccin qumica en virtud de la cual los tomos de tungsteno se recombinan con los tomos de yodo, dando como resultado un compuesto llamado yoduro de tungsteno:
Por otra parte, cuando las molculas de este nuevo compuesto se aproximan al filamento, zona en la que la temperatura es superior a los 2.000 C, se produce la reaccin opuesta, es decir, el yoduro de tungsteno se disocia en yodo y tungsteno, depositndose este ltimo sobre el filamento, siguiendo el yodo el camino determinado por las corrientes de conveccin, para repetir el proceso. Como ya hemos dicho, una parte de la reaccin qumica se produce a una temperatura de 600C, en la pared de la ampolla de la lmpara. Para poder alcanzar tan elevada temperatura no queda ms
remedio que reducir considerablemente el tamao de la ampolla y como el vidrio no soporta estas temperaturas tan elevadas, se recurre al cuarzo, que tiene una temperatura de reblandecimiento superior a los 1.300 C. El resultado de lo expuesto es una gran disminucin del tamao de estas lmparas, aproximadamente el 5% del volumen de una lmpara convencional de la misma potencia. En una atmsfera halgena no pueden emplearse materiales corrientes, en base a la gran afinidad qumica, por lo que los soportes del filamento se hacen tambin de tungsteno. Las salidas de los conductores de alimentacin de estas lmparas, se hacen a travs de unas finsimas hojas de molibdeno. Debido al pequeo coeficiente de dilatacin de este material y a las dimensiones extremadamente pequeas de la hoja que atraviesa el cuarzo, este se ve sometido a esfuerzos relativamente pequeos. El extremadamente pequeo volumen de estas lmparas, permite realizar ampollas de cuarzo de gran resistencia, admitiendo un relleno de gas a mayor presin. Todo lo dicho sobre las lmparas halgenas nos permite citar las siguientes ventajas sobre las lmparas de incandescencia convencionales: - El flujo luminoso es mayor, debido a que el filamento puede trabajar a mayores temperaturas. Esto es posible gracias a la regeneracin del tungsteno. - La vida media resulta mayor, 2.000 h., debido tambin a la regeneracin del tungsteno. - La ampolla de cuarzo apenas se ennegrece, puesto que no se deposita tungsteno sobre ella, lo que se traduce en una menor depreciacin del flujo luminoso, que permanece casi inalterable a lo largo de su vida. - Debido a sus reducidas dimensiones es posible conseguir un control ms preciso del haz luminoso. Para la manipulacin de estas lmparas hay que tener presentes dos cuestiones muy importantes: - Evitar la presencia de grasa sobre la ampolla de cuarzo, es decir, no deben tocarse con las manos, ya que a altas temperaturas se puede originar la desvitrificacin del cuarzo con las anomalas consiguientes. - Su posicin de trabajo debe de ser siempre horizontal con una tolerancia mxima de unos 4. Una mayor inclinacin altera el equilibrio trmico de la regeneracin, afectando seriamente a la vida de la lmpara. La temperatura de color de estas lmparas resulta ser de 3.100 C y la eficacia luminosa es del orden de 22 Lm/W, algo mayor que la correspondiente a lmparas de incandescencia convencionales. En la actualidad se fabrican dos tipos de lmparas halgenas, las llamadas de casquillos cermicos y las de doble envoltura, tal y como se muestra en la figura.
Las lmparas halgenas de casquillos cermicos estn formadas por una ampolla cilndrica de cuarzo de dimetro muy reducido, en cuyo interior se encuentra el filamento de tungsteno, arrollado en espiral, sumergido en una atmsfera de nitrgeno-argn y un halgeno que acostumbra a ser de yodo. Los extremos de la ampolla terminan en dos casquillos cermicos que protegen los contactos de conexin. La posicin de trabajo de este tipo de lmparas debe ser siempre horizontal, con una desviacin mxima de 4, y debe evitarse el contacto de la ampolla con las manos, tal y como ya hemos indicado. Para evitar los problemas que trae consigo la desvitrificacin y al mismo tiempo permitir el funcionamiento de la lmpara en cualquier posicin, se han creado las lmparas de doble envoltura, en las que el tubo de cuarzo est situado en el interior de un segundo tubo, en este caso de vidrio normal, cuya misin no es otra que la de proteger el tubo de cuarzo y al mismo tiempo proporcionarle el equilibrio trmico que precisa para su buen funcionamiento.
Este equilibrio trmico necesario para que se produzca la regeneracin del filamento en cualquier posicin de trabajo de la lmpara, se consigue rellenando con nitrgeno el espacio que hay entre la lmpara y el segundo tubo de vidrio. Las lmparas de doble envoltura disponen de casquillos normalizados del tipo E-27 o E-40, siendo
fcilmente adaptables en portalmparas destinados a lmparas de incandescencia convencionales. La posibilidad de un encendido y reencendido instantneo, la gran facilidad de controlar el haz luminoso y una muy buena reproduccin cromtica, hace de estas lmparas un medio excelente para el alumbrado de pistas deportivas, carteles publicitarios, edificios y monumentos. No obstante, debido a la corta vida media de estas lmparas, se trata de un alumbrado bueno pero muy caro. Adems de los dos tipos de lmparas halgenas que acabamos de describir y cuya aplicacin se centra principalmente en el alumbrado industrial, existen otras lmparas halgenas para aplicaciones diversas, tales como pequeas lmparas de sobremesa, lmparas para faros de automviles, lmparas para proyectores de transparencias y diapositivas, etc..
8.2.3. LMPARAS FLUORESCENTES Las lmparas fluorescentes son fuentes luminosas originadas como consecuencia de una descarga elctrica en atmsfera de vapor de mercurio a baja presin, en las que la luz se genera por el fenmeno de fluorescencia. Este fenmeno consiste en que determinadas sustancias luminiscentes, al ser excitadas por la radiacin ultravioleta del vapor de mercurio a baja presin, transforman esta radiacin invisible en otra de onda ms larga y que se encuentra dentro del espectro visible. La lmpara fluorescente normal consta de un tubo de vidrio de un cierto dimetro y longitud variable segn la potencia, recubierto internamente de una capa de sustancia fluorescente. En los extremos de este tubo se encuentran los ctodos de wolframio impregnados en una pasta formada por xidos alcalinotrreos que facilitan la emisin de electrones. El tubo est relleno de gas argn a baja presin y una pequea cantidad de mercurio. Conectada la lmpara en su correspondiente circuito, la corriente elctrica que atraviesa los electrodos, los calienta y les hace emitir electrones, inicindose la descarga si la tensin aplicada entre los extremos es suficiente. El calor producido, evapora rpidamente el mercurio por lo que la descarga se mantiene en una atmsfera de mayor conductividad, mezcla de gas argn y del vapor de mercurio.
Los electrones as obtenidos, en su recorrido de un extremo a otro del tubo, chocan con los tomos de mercurio y la energa desprendida en el choque se transforma en radiaciones ultravioleta y por lo tanto invisibles, pero capaces de excitar la capa fluorescente que recubre el interior del tubo, con lo que se transforman en luz visible. Esta es la explicacin que inicialmente ofrecemos para justificar el funcionamiento de los tubos fluorescentes, aunque no obstante vamos a completarla con ciertos pormenores prcticos que facilitarn una mayor comprensin del funcionamiento.
Las lmparas fluorescentes, como todas las de descarga, presentan una resistencia al paso de la corriente que disminuye a medida que esta se incrementa. Este efecto las llevara a la autodestruccin si no les colocramos algn elemento que controle la intensidad que circula por ellas; este elemento es una reactancia cuyo nombre especfico para este caso es "balasto". La reactancia o balasto est formada por una bobina de hilo de cobre esmaltado con su correspondiente ncleo magntico. Este conjunto va introducido dentro de un contenedor metlico, y todo ello impregnado al vaco con resinas capaces de penetrar hasta el interior de los ms pequeos huecos existentes entre espiras; con ello conseguimos un considerable aumento de la rigidez dielctrica de la bobina, una mejor disipacin del calor formado, y una total eliminacin de las posibles vibraciones del ncleo magntico. Las funciones que debe cumplir una reactancia, en el orden en que se realizan al poner en funcionamiento un tubo fluorescente, son: - Proporcionar la corriente de arranque o precalentamiento de los filamentos para conseguir de stos la emisin inicial de electrones. - Suministrar la tensin de salida en vaco suficiente para hacer saltar el arco en el interior de la lmpara. - Limitar la corriente en la lmpara a los valores adecuados para un correcto funcionamiento. En la figura mostramos el circuito fundamental de funcionamiento de una lmpara fluorescente con su balasto y su interruptor de puesta en marcha (cebador) .
Si aplicamos tensin al circuito, no circular corriente por el mismo, ya que no puede establecerse la descarga, por falta de electrones. Si ahora cerramos momentneamente el interruptor, el circuito se cierra a travs del balasto y de los filamentos del tubo, los cuales iniciarn la emisin de electrones. Si ahora abrimos el interruptor, se crea una sobretensin como consecuencia de la autoinduccin de la bobina del balasto, y encontrndose el tubo fuertemente ionizado como consecuencia de la emisin de electrones, se iniciar la descarga en el seno del gas de relleno y posteriormente en el vapor de mercurio. As cebado el tubo, quien ahora limita la corriente es el balasto y en bornas de la lmpara quedar la tensin de arco necesaria para mantenerlo. Esta tensin de mantenimiento del arco depende principalmente de la longitud del tubo y suele estar comprendida entre 40 y 100 V. Todo lo dicho sobre el funcionamiento de la lmpara es perfectamente vlido, a excepcin del interruptor manual de puesta en funcionamiento, que deber ser sustituido por un interruptor automtico "Cebador". El cebador consiste en una pequea ampolla de vidrio llena de gas argn a baja presin, y en cuyo
interior se encuentran dos electrodos; uno de ellos, o los dos, son laminillas de diferente coeficiente de dilatacin que, por la accin del calor, pueden doblarse ligeramente, y que se encuentran muy prximas. En paralelo con estos dos electrodos encontramos un condensador cuya misin es la de evitar en lo posible las interferencias en las bandas de radiodifusin y TV, que este interruptor automtico pueda ocasionar. Estos dos elementos van alojados en un pequeo recipiente cilndrico de aluminio o de material aislante.
As constituido el cebador, su funcionamiento puede resumirse de la siguiente manera: Al conectar el circuito a la red, toda la tensin queda aplicada entre los dos electrodos del cebador. Como consecuencia de la proximidad a que se encuentran, se establece entre ellos y a travs del gas de relleno un pequeo arco, el cual produce un aumento de la temperatura en la lmina, y en consecuencia su deformacin, hasta ponerse en contacto con la fija, cerrando con ello el circuito de caldeo de los filamentos. Al cesar el arco, la laminilla bimetlica se enfra y por tanto vuelve a su posicin inicial, abriendo bruscamente el circuito y provocando la reactancia, la sobretensin ya prevista, que inicia la descarga en el tubo. Puesta en funcionamiento la lmpara, como la tensin entre sus extremos disminuye a un valor igual al de formacin del arco, ya no es capaz de iniciar, entre los electrodos del cebador, ese pequeo arco, y en consecuencia no vuelven a unirse. Hemos supuesto que a la primera interrupcin del cebador, la lmpara inicia la descarga, pero si ello no ocurre, el cebador volver a cerrar y abrir su contacto hasta que la tensin entre sus extremos disminuya al valor de formacin del arco. Finalmente destacamos que los polv
