El propósito de este articulo es explicar el calculo de ocupación de tuberías eléctricas, que es solo uno de los factores a considerar en el dimensionamiento de tuberías.
Una de las razones para limitar el llenado de las tuberías es permitir que el aire circule dentro del conducto y por lo tanto, permitir el enfriamiento de los conductores.
Los cálculos de llenado de tubería, también conocidos como cálculos de ocupación de conductores, se realizan para determinar el tamaño mínimo de la tubería requerida para un conjunto dado de conductores.
Los diagramas eléctricos a menudo describen un circuito ejemplo como: 3No 12 +1No 12N + 1No 12T, ¾ ”, sin mencionar el tipo de conductores o el tipo de tubería. Por lo general, la especificación de construcción es donde se indican el tipo de conductor y el tipo de tubería para cada aplicación.
La razón por la que tenemos que conocer el tipo de conductor y tubería es porque las dimensiones físicas son diferentes para diferentes tipos de conductores y tubos.
Los diferentes tipos de conductores con diferentes tipos de aislamiento tendrán diferentes diámetros exteriores para el mismo tamaño de cable, esto se puede ver en la figura 6, la cual muestra diferentes diámetros de un conductor 4/0 AWG con cuatro tipos de aislamiento diferentes.
La Tabla 5 del Capítulo 9 del NEC/NFPA70/NTC2050 proporciona los diámetros y áreas aproximados de diferentes tipos de conductores, esta tabla se presenta en este articulo como la Tabla 3 y muestra el diámetro de conductores con diferente aislamiento.
Los diferentes tipos de tuberías tendrán diferentes diámetros internos para el mismo tamaño de tubo. La Tabla 4 del Capítulo 9 del NEC/NFPA70/NTC2050 proporciona los diámetros internos nominales y las áreas de sección transversal para diferentes tipos y tamaños de tuberías. Estos valores se reproducen en las Tablas 2 de este articulo para EMT, IMC, RMC, PVC Schedule 40 y PVC Schedule 80. Consulte la Figura 5 para ver una ilustración de la diferencia en dimensiones de un tubo de 1 ” de diferentes materiales.
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Ocupación de tubería eléctrica con conductores de igual aislamiento y calibre
La ocupación de tuberías a menudo se explica mediante un ejemplo en el que todos los conductores son del mismo tamaño y tipo. A veces, todos los conductores dentro de una tubería eléctrica son del mismo tamaño (como 12 AWG) y del mismo tipo de aislamiento (como THHN), pero a menudo y casi siempre los conductores serán de diferentes tamaños y ocasionalmente, habrá más de un tipo de conductor en el mismo tubo eléctrico.
El Anexo C en el NEC da el número máximo de conductores del mismo tamaño que se permitirán en varios tipos y tamaños de tubos. El Anexo C se basa en el caso general de que todos los conductores son del mismo tamaño y tipo, por lo que este anexo no se puede utilizar para diferentes tipos de conductores y diferentes tamaños, por ello en este articulo trabajaremos cables de diferentes tipos en tuberías de diferentes materiales, con lo cual abarcamos tanto los cables de igual calibre como los que tienen diferente calibre en la misma tubería.
En lo que respecta a este articulo continuaremos considerando casos específicos en los que los conductores pueden ser de diferentes tamaños y tipos. Puede utilizar las técnicas de este articulo para verificar los valores que se muestran en el Anexo C, pero asegúrese de considerar la Nota 7 de las tablas del Capítulo 9 del NEC, como se expresa a continuacion:
Nota (7) Tablas Cap. 9: Cuando se calcule la cantidad máxima de conductores o cables permitidos en un tubo (conduit) o tubería, todos de la misma sección transversal (área de la sección transversal total, incluido el aislamiento), cuando el cálculo dé como resultado un decimal igual a 0,8 o mayor, se debe tomar el siguiente número entero más alto para determinar la cantidad máxima de conductores permitidos. Cuando se calcule el calibre de los conductos o tuberías permitidos para un solo conductor, debe permitirse instalar un solo conductor cuando el cálculo dé como resultado un decimal mayor o igual a 0,8.
Ocasionalmente, un circuito pasará por más de un tipo de tubería. Un ejemplo común de esto es un circuito que se ejecuta en acero rígido galvanizado (RMC, a veces llamado RGS) por encima del nivel, luego pasa a PVC Schedule 40 por debajo del nivel y luego vuelve a RMC cuando esta por encima del nivel. Los cálculos de llenado de ductos serían ligeramente diferentes para los dos tipos de tuberías.
Los cálculos de ocupación de tubería son relativamente simples y directos, pero se deben conocer ciertos detalles sobre el tubo y los conductores. Solo puede haber una variable desconocida de las siguientes cinco para realizar los cálculos y hacer coincidir el tamaño del tubo con los conductores:
- Tamaño del tubo, Ejemplo: 3″.
- Tipo de material del tubo, Ejemplo: PVC Schedule 40.
- Cantidades de conductores, Ejemplo: 3 No. XXX
- Tamaños de los conductores, Ejemplo: 3 No 12
- Tipos de aislamiento de conductores, como: THWN, XHHW, THHN
Para cables multiconductores, los dos últimos ítems (4 y 5) enumerados anteriormente se reemplazan utilizando el diámetro total o exterior del cable (no importa cuáles sean los tamaños y tipos de conductores internos).
Porcentajes máximo de ocupación y llenado de tuberías
La Tabla 1 del NEC/NFPA70/NTC2050 en el Capítulo 9 brinda los porcentajes para el llenado u ocupación de tuberías:
Al dar un vistazo rápido a la Tabla 1 anterior, puede parecer que la instalación de 2 conductores está siendo tratada injustamente,…ya que 2 conductores solo pueden ocupar el 31% del área de la sección transversal del tubo, mientras que 3 conductores pueden ocupar hasta el 40% y 1 conductor puede llegar hasta el 53%.
El bajo valor del 31% se basa en parte en la geometría, como se ilustra en la Figura 2, donde está claro que 2 conductores dimensionados para ocupar un total del 53% del área de la sección transversal del tubo ni siquiera encajarán en la tubería.
De manera similar, 2 conductores que ocupen un 40% del área interna de la tubería estarían bastante apiñados en el tubo y podrían resultar difíciles de tirar o halar.
Una aplicación de tubería menos utilizada es una conexión pequeña entre dos paneles o recintos llamada «niple», que se muestra con un 60% de relleno en las Tablas 2.
Un «niple» es una sección de conducto que tiene 24” (60cm) o menos de longitud y se usa para permitir la instalación de conductores entre cajas, gabinetes o envolventes similares.
Se permite que el llenado en estos niples sea de hasta un 60% . Esta es la Nota 4 de las tablas del Capítulo 9 del NEC, como se describe a continuación:
Nota (4) Tablas Cap. 9: Cuando entre las cajas, los gabinetes y encerramiento similares se instalen niples de tubo (conduit) o tuberías cuya longitud máxima no exceda los 0,6 m, debe permitirse que estos niples estén ocupados hasta el 60 % de su sección transversal total, y no es necesario aplicar a esta condición los factores de ajuste de la sección 310.15(B)(3)(a).
Las notas a las tablas en el Capítulo 9 son importantes, y algunas de ellas están parafraseadas aquí:
Notas a las tablas del capítulo 9 del NEC:
(3) Los conductores de puesta a tierra de los equipos deben incluirse en los cálculos de llenado u ocupación de tuberías.
(4) Se permite llenar los «niples» hasta en un 60%.
(5) Para conductores no incluidos en las tablas del Capítulo 9, como los cables multiconductores, las dimensiones reales de los cables se utilizarán en los cálculos de llenado de tuberías.
(7) Si todos los conductores tienen el mismo tamaño físico (área de sección transversal), se puede utilizar el número entero inmediatamente superior cuando el cálculo da como resultado un decimal de 0,8 o más.
(9) Un cable multiconductor se tratará como un solo conductor para calcular el llenado del tubo. Para cables que tienen secciones transversales elípticas, el cálculo del área de la sección transversal se basará en el uso del diámetro mayor (la dimensión más larga) de la elipse como diámetro del círculo.
Las figuras 1, 2, 3 y 4 ilustran y comparan el llenado de la tubería para una cantidad de conductores igual a: 1, 2, 3 y 4, 5 y 6.
Nota: El caso del 60% de llenado para «niples» no se incluye en estas cuatro ilustraciones.
Figura 2. Llenado u ocupación máxima tubería eléctrica con dos conductores.
Figura 3. Llenado máximo tubería eléctrica con tres conductores
Tipos de tuberías
La tubería metálica eléctrica (EMT), como se muestra en la Figura 5, tiene paredes delgadas. Cuando se utiliza, normalmente se encuentra en lugares protegidos, como el interior de paredes huecas o sobre techos suspendidos.
El tubo de metal intermedio (IMC) como se muestra en la Figura 5, se llama intermedio porque está entre EMT y RMC en espesor y resistencia de pared. En ocasiones, se utiliza IMC en lugar de RMC, cuando se aprueba según la NEC/NFPA70/NTC2050.
El tubo de metal rígido (RMC) como se muestra en la Figura 5 puede ser de aluminio o acero rígido galvanizado (GRS) y tiene paredes más gruesas que el IMC. El RMC es posiblemente el tipo de tubería para todo uso y muy popular para sistemas de conducción sobre el nivel del suelo y en exteriores.
Tubo rígido no metálico (RNC) El PVC SCH 40 como se muestra en la Figura 5 tiene paredes más gruesas que el RMC, pero está hecho de cloruro de polivinilo (PVC), no de metal. El PVC Schedule 40 se usa a menudo para bancos de conductos subterráneos para teléfono, datos y energía.
La tubería rígida no metálica (RNC) El PVC SCH 80 como se muestra en la Figura 5 tiene paredes más gruesas que el PVC SCH 40, además tiene las paredes más gruesas de todos los tipos de conductos discutidos en este documento.
El PVC Schedule 80 se usa a menudo para llevar un servicio de alimentación eléctrico subterráneo desde un poste hasta debajo del nivel de suelo, que luego va a un edificio o un transformador montado en pedestal (Pad mounted).
Los valores de espesor de pared en la próxima tabla…se basan en el espesor de pared promedio, pero muchos catálogos de conductos muestran solo el espesor de pared mínimo, lo que daría un valor diferente para el diámetro interno y el área.
El área de la sección transversal de cada tubería se calcula a partir del diámetro interno para ese tipo y tamaño de tubo.
El diámetro total y el grosor de la pared del tubo no son importantes para los cálculos de relleno de la tubería eléctrica, aunque sí determinan el diámetro interno y se muestran como referencia en las Tablas 2 a 6. Las filas están sombreadas como ayuda visual.
Tipos de conductores
Hay muchos tipos de conductores aislados. En este articulo se considerarán algunos de los tipos más comunes.
- THHW tiene una clasificación de 75 ° C para lugares húmedos y 90 ° C para lugares secos y no tiene recubrimiento exterior en su aislamiento.
- THHN está clasificado a 90 ° C para lugares secos y húmedos y tiene una chaqueta de nailon sobre su aislamiento.
- THWN tiene una clasificación de 75 ° C para lugares secos y húmedos y tiene una chaqueta de nailon sobre su aislamiento.
- XHHW tiene una clasificación de 75 ° C para lugares húmedos y 90 ° C para lugares secos y húmedos y no tiene recubrimiento exterior en su aislamiento.
El tipo de conductor requerido generalmente se define en las especificaciones de construcción y por el tipo de instalación: húmedo, húmedo o seco.
Por ejemplo,…los cables instalados en tuberías subterráneas deben estar clasificados para ubicaciones húmedas, ya que los conductos subterráneos contendrán agua, eventualmente. Por lo tanto, THHN no es adecuado para tramos de ductos por debajo del nivel del suelo, ya que no está clasificado para ubicaciones húmedas.
La Figura 6 muestra que los diámetros son ligeramente diferentes para diferentes tipos de conductores del mismo tamaño o calibre de cable. En el caso ilustrado, XHHW es ligeramente más delgado que THHN / THWN, que es un poco más delgado que THHW.
El círculo exterior grande en la Figura 6 representa el diámetro exterior del conductor y los círculos más pequeños en el interior representan los pequeños hilos de alambre dentro del aislamiento. En la Tabla 7, THHN y THWN tienen diámetros coincidentes en todos los tamaños.
El tipo de conductor XHHW no siempre es más delgado que el tipo de conductor THHN / THWN; depende del tamaño del cable.
Revise la próxima Tabla 3. En los tamaños 14 a 6 AWG, por ejemplo, XHHW es más grueso que THHN / THWN. La Tabla 3 de este documento se basa en la Tabla 5 del Capítulo 9 del NEC.
Como calcular el llenado u ocupación de tuberías
Comencemos con un ejemplo simple de 3 No 10 (THHN) en un conducto RMC o GRS. Estos ejemplos serán para tramos de tubería mayores a 60cm, no «niples«, a menos que se mencionen específicamente los «niples».
Un consejo es que siempre se debe verificar las especificaciones de construcción con respecto al tamaño mínimo del tubo, en muchas ocasiones se facilita el cableado al utilizar un valor de tubería superior al mínimo calculado.
Ejemplo No 1. Encuentre el tamaño mínimo de tubería de acero rígido galvanizado (GRS) o (RMC) para 3No 10 AWG (THHN)
Para calcular el tamaño mínimo del tubo, sumamos las áreas de sección transversal de los conductores de la Tabla 3.1 Anterior, como estamos trabajando con conductores THHN, tenemos lo siguiente:
3No 10 THHN x Área de cada conductor
3 x 0.0211 in2= 0.0633 in2
Como tenemos tres conductores, podemos usar hasta un 40% del llenado de la tubería, como se muestra en la Tabla 1.
Teniendo en cuenta lo anterior revisamos la columna de ocupación al 40% para mas de 3 conductores en tubería RMC, Tabla 2.3 y buscamos el valor inmediatamente superior a 0.0633 in2, este valor es el de la tubería de 1/2″ que tiene un área de 0.087in2 al 40% o también podemos calcular el valor de llenado al 100% dividiendo 0.0633 in2 entre 40%, así:
0.0633 in2 / 0.4 = 0.15825 in2, que es el valor mínimo de llenado de la tubería al 100%.
Usando 0.15825 in2, revisamos la Tabla 2.3 en la columna del 100% y buscamos el valor inmediatamente superior a 0.15825in2 y vemos que podríamos usar un tubo de ½”. Sin embargo, muchas especificaciones de construcción limitan el tamaño de la tubería a mínimo ¾ ”. Si ese fuera el caso, tendríamos que elegir un tubo de ¾ ”para que coincida con la especificación de construcción, aunque ½” cumple con los requisitos de NEC/NFPA70/NTC2050 para el relleno u ocupación de tubería.
Ejemplo 2. Encuentre el tamaño mínimo de tubería eléctrica de PVC Schedule 80 para 3 No 500 KCMIL + 1/0 AWG Tierra, todos los conductores tipo XHHW.
Revisando la Tabla 3.3 para conductores XHHW, tenemos:
3No 500 kCMIL XHHW x Área de cada conductor
1 No 1/0 AWG XHHW x Área de cada conductor
3 x 0,6984 in2 = 2,0952 in2 (De tabla 3.3)
1 x 0.1825 in2 = 0.1825 in2 (De tabla 3.3)
Sumando las areas de los conductores tenemos: 2.2777 in2 y al revisar la columna del 40% de la Tabla 2.3 para PVC Schedule 80 y buscar el valor inmediatamente superior, encontramos que necesitamos un tamaño de tubería mínimo de 3”.
Ejemplo 3. ¿Cuál sería el tamaño mínimo de tubería eléctrica PVC Schedule 80 para 3 No 8 AWG + 2 No 10 AWG, todos tipo THWN?
3No 8 THWN x Área de cada conductor
3 x 0,0366 in2 = 0,1098 in2
2No 10 THWN x Área de cada conductor
2 x 0,0211 in2 = 0,0422 in2
Sumando: 0.152 in2
Al observar la columna del 40% de la Tabla 2.3 para PVC Schedule 80 y buscando el valor inmediatamente superior a 0.152 in2, encontramos que necesitamos un tamaño de conducto mínimo es de ¾ ”.
Ejemplo 4. ¿Cuál sería el tamaño mínimo de un tubo eléctrico EMT para 2 No 8 AWG THWN?
2 No 8 THWN x Área de cada conductor
2 x 0.0366 in2 = 0.0732 in2
Dado que hay dos conductores, observamos la columna del 31% de la Tabla 2 y buscamos el valor inmediatamente superior a 0.0732in2 que es el tubo EMT de ½ ”.
Ejemplo 5. ¿Cuál sería el tamaño mínimo de una tubería PVC Schedule 40 para un conductor de tierra XHHW calibre 3/0 AWG?
El área total para un conductor XHHW 3/0 AWG es 0.2642 in2
Al observar la columna del 53% en la Tabla 2.4 para PVC Schedule 40, encontramos que necesitamos un tamaño de tubo mínimo de ¾ ”.
Ejemplo 6. ¿Cuál sería el tamaño mínimo de un tubo PVC Schedule 40 para 5 No 3 / 0 AWG XHHW?
2 No 3/0 XHHW x Área de cada conductor
5 x 0.2642 in2 = 1.321 in2
Revise la columna del 40% para tuberías Schedule 40 PVC, Tabla 2.4. el valor inmediatamente superior a 1.321 in2, que equivale a una tubería de 2-1/2″.
¿Lo anterior significa que tenemos que subir de 2″ a 2-1/2 ”, tan solo por 0.005in2?. Dado que todos los conductores tienen el mismo tamaño físico, es posible que podamos usar la Nota 7 de las tablas del Capítulo 9 del NEC/NFPA70/NTC2050, que dice que podemos redondear el número de conductores permitidos si obtenemos un decimal de 0,8 o más. Por lo tanto, mirando 2 ”:
1.316 in2 / 0.2642 in2 = 4.98 conductores
La Nota 7 dice que podemos redondear este valor hasta 5 conductores, por lo que el conducto de PVC de 2 ” Schedule 40 cumpliría con los requisitos de NEC para el llenado de tuberías.
¿Qué tamaño de tubería IMC se necesitaría para un cable multiconductor de 5No 14,?, como se muestra en la siguiente figura:
El cable multiconductor de 5 Cables internos No 14 tiene un área de 0.119 in2 (, por lo tanto de acuerdo a la columna del 53% de la Tabla 1 se tendría que la tubería necesaria mínima debe ser de ½”.
Tener presente que un cable multiconductor, que tiene varios conductores aislados dentro de una cubierta común, se trata como un solo conductor para los efectos de los cálculos de llenado de tuberías. Las notas 5 y 9 de las tablas del capítulo 9 del NEC mencionan específicamente los cables multiconductores.
Nota (5). Para los conductores no incluidos en el Capítulo 9, tales como los cables multiconductores y cables de fibra óptica, se deben utilizar sus dimensiones reales.
Nota (9). Para calcular el porcenaje de ocupación del tubo (conduit) o tubería, un cable multiconductor, un cable de fibra óptica o un cordón flexible de dos o más conductores se debe considerar como un solo conductor. Para cables con sección transversal elíptica, el cálculo del área de la sección transversal se hace tomando el diámetro mayor de la elipse como diámetro de un círculo. Los ensambles de conductores aislados individuales, sin un recubrimiento general no deben considerarse como un cable para determinar el porcentaje de ocupación del tubo (conduit) o tubería. El porcentaje de ocupación del tubo (conduit) o tubería para los ensambles debe calcularse con base en las secciones transversales de los conductores individuales.
¿Cuántos cables multiconductores de 5 No 14 cabrían en un «niple» de aluminio de 2” que va de una caja a otra?
Un «niple» de aluminio de 2 ”(RMC) tiene un área disponible de llenado del 60% osea 2.045 in2 (de la columna del 60% para niples en la Tabla 1 y tabla 2), y el área de la sección transversal de un cable multiconductor de 5No 14 es 0.119 in2, por lo tanto:
in2 de tubería/ in2 de cable = 2.045 / 0.119 = 17.2, entonces la respuesta es que caben 17 multiconductores.
¿Qué tamaño de tubería PVC Schedule 40 se necesitaría para un cable de 12/2 NM (Internamente 3 cables, F,N y T)?
El cable con revestimiento no metálico (NM) también se conoce como cable Romex®.
Este tipo de cable multiconductor se utiliza en un gran porcentaje de cableado residencial y normalmente se instala sin tubería.
En este ejemplo, consideraremos un cable NM de 2 conductores mas tierra con una sección transversal elíptica y examinaremos cómo afectaría eso los cálculos de llenado de tubería.
La nota 9 de las tablas en el Capítulo 9 del NEC dice que tenemos que usar el diámetro mayor que para el caso del NM 12/2 es de 0.41”, como se muestra en la figura anterior y para calcular el círculo para obtener el área de la sección transversal utilizamos: π * (0.41) 2/4 = 0.132 in2 para este tipo de cable.
De alguna manera, tiene sentido usar el diámetro más largo de la elipse para calcular el área de la sección transversal, ya que no podremos controlar en qué dirección se orientarán los diámetros largo y ancho cuando el cable se tuerza a través de la tuberia.
¿Qué tamaño de tubo PVC Schedule 40 se necesitaría para un cable de 12/2 tipo M?
Un cable NM tiene un área de sección transversal de 0,132 in2, por lo tanto para cumplir lo indicado en la columna del 53% de la Tabla 1, se debe utilizar un tubo de ½” que tiene 0.151 in2, de área disponible para llenado.
Aunque un tubo de ½ ”cumpliría con este requisito, en realidad sería difícil tirar de este cable a través de cualquier accesorio de la tubería. Para reafirmar esto, el tubo de ½ «cumpliría con los requisitos de NEC, pero seria difícil de instalar, por lo tanto es mas fácil usar un tubo de ¾» o más grande.
Tablas de ocupación de cableado mas común THHN, THWN-2 y XHHN para tubería EMT, RMC, IMC, SCH40, SCH80, FMC, LT.
