La norma nos indica un procedimiento para realizar una prueba de comportamiento de la conexión, esta prueba consiste en:
Sujetar la conexión de la regadera o niple. Aplicar el par de apriete de 5 N-m
Se define el material de la conexión de la unión a un Aluminio 6061-T6 con las propiedades que se muestran en la tabla.
Se establecen los apoyos de la pieza sobre la cuerda, de forma fija. Se coloca el par de apriete sobre los planos laterales de la pieza como se ilustra en la figura siguiente. Se define una malla fina basada en la curvatura del modelo, de elementos solidos tetraédricos con un total de 24688 nodos. Se agrega un control de mallado únicamente en los planos donde se aplicó la torsión, ya que es el que interesa analizar.
La imagen muestra la malla del sólido, las flechas en color morado son las cargas y las de color verde son las sujeciones del cuerpo.
Los datos del material son los siguientes:
Propiedades:
Aluminio 6061-T6 Valor Unidades
Módulo elástico E 69 GPa
Coeficiente de Poisson ν 0.33 [1]
Módulo cortante G 26 GPa
Densidad de masa ρ 2700 kg/m^3 Límite de tracción Sut 310 MPa
Límite elástico Sy 275 MPa
Coeficiente de expansión
térmica α 2.4e-005 1/K
Conductividad térmica K 166.9 W/(m·K) Calor específico C 896 J/(kg·K)
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Figura 76: Mallado, sujeción y cargas del Estudio del Engrane
Tenemos que hacer notar la forma en la que se realiza esta prueba en base a la norma, se realiza un sistema mecánico para fijar la pieza, se utiliza un torquímetro con capacidad de 10 N-m /1kg-m), una llave o adaptador para aplicar el par de apriete.
Aplicar un par de apriete de 5 N-m a la conexión de la unión de la regadera, y según la norma el resultado solo es observar visualmente el comportamiento de la conexión.
En este trabajo la prueba se realizara con la ayuda de Solidworks, y busca obtener un factor de seguridad confiable para la pieza, observar los desplazamientos que pudiera tener la pieza al aplicar la carga.
Se ejecuta el estudio estático, el cual modifica el tamaño del elemento de la malla en las zonas donde se detecte una diferencia significativa en la solución nodal y la del elemento, comúnmente la región de concentración de esfuerzos. Se recuerda que el tamaño de la malla afecta enormemente la solución del modelo. En la siguiente imagen se presenta la distribución de los desplazamientos en la pieza.
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El grafico muestra la distribución de deformaciones en la escala de colores mostrada, donde se nota que la deformación máxima se encuentra en los planos donde se aplicó el par de apriete.
La deformación máxima en la pieza es de 0.003024mm, es muy pequeña, entonces la pieza soporta la carga de prueba perfectamente.
Por último se realiza un trazado del factor de seguridad en base a la TED. Para tener una mayor confianza en el funcionamiento de la pieza.
Figura 78: Distribución del Factor de Seguridad en La conexión de la Unión.
El programa arroja un valor del factor de seguridad mínimo de 9.1, el cual indica que la pieza soportara el par de apriete sin ningún problema, incluso esta sobrada, puede tener exceso de material.
Para reducir este factor de seguridad y tener un ahorro en material, se reduce la distancia entre los planos como se muestra en la siguiente figura, se realiza el mismo análisis.
La norma indica que no debe presentar, al observarse visualmente, daños tales como; barrido de cuerda o agrietamiento, para que la prueba sea confiable se realizó el análisis visual de la pieza aplicando el par de apriete y también con la ayuda de solidworks.
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4.1.2 Nudo móvil.
Esta pieza sujetara al cuerpo de la regadera, en la parte superior tiene dos pequeñas entradas para colocar un desarmador para sujetar esta pieza mientras se le aplica el par de apriete al cuerpo de la regadera, estas piezas se conectan mediante un sistema tuerca- tornillo. Para realizar el análisis por el MEF realizaremos lo siguiente:
Sujetar el nudo móvil con ayuda de un desarmador.
Aplicar el par de apriete de 5 N-m sobre la cuerda.
Se define el material de la conexión de la unión a un Aluminio 6061-T6 con las propiedades que se muestran en la tabla.
Se establecen los apoyos de la pieza sobre las dos entradas pequeñas en donde se coloca el desarmador, de forma fija. Se coloca el par de apriete sobre la cuerda de la pieza como se ilustra en la figura siguiente. Se define una malla fina basada en la curvatura del modelo, de elementos solidos tetraédricos con un total de 22229 nodos. Se agrega un control de mallado únicamente en los planos donde se aplicó la torsión, ya que es el que interesa analizar.
La imagen muestra la malla del sólido, las flechas en color morado son las cargas y las de color verde son las sujeciones del cuerpo.
Los datos del material son los siguientes:
Propiedades: Aluminio 6061-T6
Valor Unidades
Módulo elástico E 69 GPa
Coeficiente de Poisson ν 0.33 [1]
Módulo cortante G 26 GPa
Densidad de masa ρ 2700 kg/m^3 Límite de tracción Sut 310 MPa
Límite elástico Sy 275 MPa
Coeficiente de expansión
térmica α
2.4e-005 1/K Conductividad térmica K 166.9 W/(m·K) Calor específico C 896 J/(kg·K)
Tabla 21: Propiedades del Aluminio 6061-T6
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Figura 79: Mallado del Nudo Móvil.
Se aplica un par de apriete de 5 N-m a al Nudo Móvil de la regadera, y según la norma el resultado solo es observar visualmente el comportamiento de la conexión.
En este trabajo esa prueba se realizara con la ayuda de Solidworks, y buscamos obtener un factor de seguridad confiable para la pieza y observar los desplazamientos que pudiera tener la pieza al aplicar la carga.
Se ejecuta el estudio estático, el cual modifica el tamaño del elemento de la malla en las zonas donde se detecte una diferencia significativa en la solución nodal y la del elemento. Se recuerda que el tamaño de la malla afecta enormemente la solución del modelo. En la siguiente imagen se presenta la distribución de los desplazamientos en la pieza.
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Figura 80: Desplazamientos en el nudo móvil.
El grafico muestra la distribución de deformaciones en la escala de colores mostrada, donde se nota que la deformación máxima se encuentra en la cuerda donde se aplicó el par de apriete.
La deformación máxima en la pieza es de 0.0235 mm, es muy pequeña, entonces la pieza soporta la carga de prueba perfectamente.
Por último se realiza un trazado del factor de seguridad en base a la TED. Para tener una mayor confianza en el funcionamiento de la pieza.
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Figura 81: FDS para el Nudo Móvil.
El programa nos arroja un valor del factor de seguridad mínimo de 1.2, el cual nos indica que la pieza soportara el par de apriete sin ningún problema, incluso este factor de seguridad nos indica que la pieza soporta un par de apriete mayor antes de la fractura o de alguna deformación importante.
La norma indica que no debe presentar, al observarse visualmente, daños tales como; barrido de cuerda o agrietamiento, para que la prueba sea confiable se realizó el análisis visual de la pieza aplicando el par de apriete y también con la ayuda de solidworks.
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4.2 Pruebas de operaciónPara la determinación del gasto en base a la norma necesitamos lo siguiente:
Herramienta y equipo
Equipo de prueba de acuerdo a la figura siguiente;
Manómetro sumergido en glicerina, con un rango de 0 a 196 kPa (0 a 3 kgf/cm2),
con graduación mínima de 9,8 kPa (0,1 kgf/cm2) y una exactitud de 2%;
Equipo de medición de gasto con capacidad de medir flujos desde 1 a 15 litros/minuto (mínimo)
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Figura 83: Instalación de Prueba, Tubería de Cobre.
Utilizamos la red de tuberías grande que se encuentra en el laboratorio de termofluidos de la UAM-Azcapotzalco.
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En la figura anterior se muestra la instalación completa, compuesta por la red de tuberías grande, un banco de pruebas para regresar al agua y formar un ciclo para no desperdiciar el agua y finalmente la instalación de prueba como lo indica la norma.
Para alcanzar la presión de 3 kgf/cm2 se conectaron dos bombas en serie, cada una con ¾ hp como se muestra en la siguiente figura.
Figura 85: Configuración en serie de las bombas.
Para tomar las mediciones de caudal utilizamos una probeta de un litro y un cronometro, se hizo de forma manual como se muestra en la siguiente figura.
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Figura 86: Instrumentos para la Medición de Caudal
En manómetro utilizado para tomar lecturas de presión se muestra en la figura siguiente.
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En el diseño del dispositivo automático ahorrador de agua se manejan varias variables, entonces resulta complejo analizar cada una de ellas, para facilitar las pruebas tomamos el diámetro interno del empaque reductor de flujo (Dier) como la variable principal, es decir, tomaremos varias datos del Dier, se tomaran datos para dos pruebas con el mismo diámetro, se realiza una tabla y se grafica presión vs caudal.
La tabla de datos y la prueba se realiza de la siguiente forma.
Se obtendrá manualmente valores de tiempo y volumen para presiones desde 0.1 kgf/cm2 hasta 3.2 kgf/cm2 cada 0.1 kgf/cm2, posteriormente se obtiene el caudal correspondiente.
Ejemplo:
Tomando el primer diámetro interno, Dier =4.9mm, obteniendo la siguiente tabla para la primer prueba: 4.9 p1
Se utilizara esta nomenclatura para todas las pruebas, por ejemplo: 4.9 p1 =Prueba número uno con un Dier de 4.9 mm.
4.9 p1
Pe T(seg) Volumen(lt) T(min) caudal(LPM)
0.1 5.31 0.32 0.0885 3.615819209 0.2 4.38 0.31 0.073 4.246575342 0.3 3.68 0.14 0.061333333 2.282608696 0.4 9 0.3 0.15 2 0.5 7.72 0.26 0.128666667 2.020725389 0.6 8.46 0.3 0.141 2.127659574 0.7 6.28 0.23 0.104666667 2.197452229 0.8 6.88 0.27 0.114666667 2.354651163 0.9 6.72 0.26 0.112 2.321428571 1 8.13 0.31 0.1355 2.287822878 1.1 8.22 0.34 0.137 2.481751825 1.2 6.94 0.29 0.115666667 2.507204611 1.3 6.31 0.27 0.105166667 2.567353407 1.4 6.62 0.29 0.110333333 2.628398792 1.5 7.78 0.35 0.129666667 2.699228792 1.6 6.06 0.28 0.101 2.772277228 1.7 7.09 0.34 0.118166667 2.877291961 1.8 5.38 0.26 0.089666667 2.899628253 1.9 5.65 0.27 0.094166667 2.867256637 2 6.47 0.32 0.107833333 2.967542504 2.1 5.65 0.28 0.094166667 2.973451327 2.2 5.75 0.29 0.095833333 3.026086957 2.3 4.84 0.24 0.080666667 2.975206612 2.4 5.66 0.28 0.094333333 2.96819788 2.5 5.84 0.29 0.097333333 2.979452055 2.6 6.44 0.32 0.107333333 2.98136646 2.7 5.62 0.28 0.093666667 2.989323843 2.8 6.19 0.31 0.103166667 3.004846527 2.9 6.09 0.3 0.1015 2.955665025 3 6.15 0.3 0.1025 2.926829268 3.1 5.38 0.27 0.089666667 3.011152416 3.2 4.62 0.23 0.077 2.987012987 Tabla 22: Prueba: 4.9 p1.
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Obtenemos las mediciones y obtenemos los siguientes datos para la segunda prueba con el mismo diámetro interno: 4.9 p2.
Tabla 23: Prueba: 4.9 p2.
Posteriormente sacamos el promedio de ambos caudales: 4.9 prom. y graficamos presión vs caudal de la forma siguiente..
4.9 p2
Pe T(seg) Volumen(lt) T(min) caudal(LPM)
0.1 6.18 0.33 0.103 3.203883495 0.2 4.69 0.31 0.078166667 3.965884861 0.3 3.63 0.12 0.0605 1.983471074 0.4 8 0.24 0.133333333 1.8 0.5 8.03 0.25 0.133833333 1.867995019 0.6 8.75 0.29 0.145833333 1.988571429 0.7 8.53 0.29 0.142166667 2.03985932 0.8 8.31 0.29 0.1385 2.093862816 0.9 5.88 0.21 0.098 2.142857143 1 7.06 0.27 0.117666667 2.294617564 1.1 7.72 0.3 0.128666667 2.331606218 1.2 6.57 0.26 0.1095 2.374429224 1.3 5.43 0.22 0.0905 2.430939227 1.4 5.88 0.25 0.098 2.551020408 1.5 6.06 0.26 0.101 2.574257426 1.6 7.31 0.32 0.121833333 2.626538988 1.7 6.84 0.3 0.114 2.631578947 1.8 7.22 0.32 0.120333333 2.659279778 1.9 6.22 0.28 0.103666667 2.70096463 2 5.94 0.27 0.099 2.727272727 2.1 7.22 0.34 0.120333333 2.825484765 2.2 8.37 0.4 0.1395 2.867383513 2.3 6.41 0.3 0.106833333 2.808112324 2.4 7.81 0.37 0.130166667 2.842509603 2.5 5.81 0.28 0.096833333 2.891566265 2.6 5.65 0.28 0.094166667 2.973451327 2.7 6.34 0.31 0.105666667 2.933753943 2.8 5.22 0.25 0.087 2.873563218 2.9 5.65 0.27 0.094166667 2.867256637 3 6.38 0.31 0.106333333 2.915360502 3.1 6.12 0.3 0.102 2.941176471 3.2 5.47 0.27 0.091166667 2.961608775
Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Tabla 24: Prueba: 4.9 prom.
Figura 88: Curva 4.9 promedio
Este procedimiento se realizara para distintos valores de diámetros internos del empaque reductor, en la gráfica la línea en color rojo indica el valor de 3.8 LPM, al cual tendremos que acercarnos sin rebasarlo.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1 2 3 4 5 P res ió n (k gf /c m 2) Caudal (LPM)
D
ier=4.9mm
4.9 p1 4.9 p2 4.9 prom 4.9 prom caudal(LPM) 3.40985135 4.1062301 2.13303989 1.9 1.9443602 2.0581155 2.11865577 2.22425699 2.23214286 2.29122022 2.40667902 2.44081692 2.49914632 2.5897096 2.63674311 2.69940811 2.75443545 2.77945402 2.78411063 2.84740762 2.89946805 2.94673523 2.89165947 2.90535374 2.93550916 2.97740889 2.96153889 2.93920487 2.91146083 2.92109488 2.97616444 2.97431088Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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En la siguiente gráfica se muestran los resultados obtenidos para distintos valores del Dier.
Figura 89: Curvas para Dier =4.2, 4.5, 4.7, 4.9, 5.1, 5.3, y 5.5mm
Para que nuestra regadera tenga un grado ecológico, no debe exceder los 3.8 LPM para presiones hasta 3 kgf/cm2. En la gráfica trazamos una línea en 3.8 LPM, nos damos cuenta que el diámetro interno del empaque reductor óptimo se encuentra entre los valores siguientes:
4.9mm < Dier < 5.3mm
Descartamos las pruebas que no se encuentran dentro de este rango, obteniendo la siguiente gráfica. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 2 3 4 5 6 P res io n (k gf /c m 2) Caudal (LPM)
D
ier=4.2, 4.5, 4.7, 4.9, 5.1, 5.3, y 5.5mm
4.2 4.5 4.7 4.8 4.9 5.1 5.2 5.3 5.5Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Figura 90: Curvas para 4.9mm<Dier <5.3mm
Necesitamos obtener más pruebas dentro de este rango, incrementando el Dier 0.5mm,
teniendo los siguientes resultados. Teniendo en cuenta que estos valores de diámetro los podemos obtener fácilmente, si redujéramos este intervalo, las dimensiones del Dier serían un poco difícil de alcanzar, pues necesitaríamos de instrumentos con una precisión más elevada. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 2 3 4 5 6 P resi o n (k gf /c m 2) Caudal (LPM)
4.9mm<D
ier<5.3mm
4.9 5.1 5.2 5.3Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Obtenemos la gráfica correspondiente.
Figura 91: Curvas para Dier =4.9, 5.05, 5.1, 5.15, 5.2, 5.25 y 5.3 mm
En la gráfica se muestra claramente que el diámetro interno del empaque reductor de flujo más eficiente es el de 5.15mm, para realizar un análisis completo y como la norma marca realizar tres pruebas, se realizaron cuatro pruebas con ese mismo diámetro interno, obteniendo los siguientes datos.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 2 3 4 5 6 P res io n (k gf /c m 2) Caudal (LPM)
D
ier=4.9, 5.05, 5.1, 5.15, 5.2, 5.25 y 5.3 mm
4.9 5.05 5.1 5.15 5.2 5.25 5.3Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Graficamos la curva para las cuatro pruebas, posteriormente sacamos la curva promedio y analizamos nuestros resultados.
Figura 92: Curvas para Dier = 5.15 mm, cada una de las Pruebas.
Figura 93: Curva para Dier = 5.15 mm, valor promedio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 P re si o n (kgf/ cm 2) Caudal (LPM)
D
ier= 5.15 mm (p1, p2, p3, p4)
5.15 p1 5.15 p2 5.15 p3 5.15 p4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 P res ió n (k gf /c m 2) Caudal (LPM)Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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4.3 Costos de fabricaciónSe organizan en 4 partidas de costos todos los componentes que conforman el ensamblaje final; Maquinados, Tornillería, Empaques y el Resorte. La partida de costo mas elevado será la de Maquinados, abarcando casi por completo el costo de la regadera, por lo que se le da mayor importancia. Los Maquinados se cotizan con la empresa
Costos de Fabricación de la Regadera
Item Descripción Material Mano de Obra Costo Unitario
1 Maquinados $220 $400 $620 Conexión de la unión $40 Nudo móvil $40 Cuerpo de la regadera $30 Campana $80 Resorte $10
Válvula para ahorro de agua $20
2 Tornillería 50¢
3 Empaques y O´rings $9
Empaque del nudo móvil $5
Empaque reductor de flujo $2
O ‘ring del cuerpo de la regadera $1
O ‘ring de la tapa distribuidora $1
TOTAL $638.5
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Conclusiones
Se construyó una regadera ecológica, el material utilizado fue aluminio 6061-T6 por ser un material fácil de maquinar y al pulirlo se obtiene un buen acabado superficial.
Esta regadera no sobrepasa 3.8 LPM, por lo tanto adquirió el grado ecológico.
Se diseñó y construyó el ahorrador mecánico de agua, cuyo funcionamiento es correcto y cumple con las condiciones de diseño.
Funciona para baja, media y alta presión, sin importar la presión de entrada ni la apertura de las llaves.
Ahorra del 20% al 80 % de agua, a mayor presión, mayor ahorro.
La solución propuesta cumple con los requisitos y las consideraciones de diseño planteadas. En la opinión personal, se considera que el diseño es adecuado y se confía en su funcionamiento.
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Obteniendo como resultado el siguiente diseño:
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Trabajos Futuros Fabricación y ensamblaje en serie: es llevar a cabo la construcción de moldes y fabricar la regadera por inyección de plástico. Se realiza bajo un proceso de registro de cada operación tomando nota de aspectos negativos. El propósito es encontrar aspectos en donde es posible economizar la fabricación así como encontrar complicaciones en el ensamblaje.
Pruebas de Operación: Llevar a cabo una serie de pruebas en diferentes regaderas en donde se evalúe el desempeño de la regadera. Se deben repetir los experimentos una y otra vez, entre más mediciones se tengan, más preciso es el resultado.
Elaboración de Ficha de Mantenimiento: Bajo pruebas de operación se deben determinar las acciones de mantenimiento preventivo que se recomendarán al usuario, así como los tiempos para darle limpieza o remoción de basura. La ficha se archiva para el historial de diseño y la información se debe presentar al usuario en el manual.
Elaboración del Manual de Usuario: El manual de usuario deberá contener las advertencias necesarias para una operación segura de la regadera. Incluirá las instrucciones de ensamble y limpieza para mejor entendimiento de las operaciones.
Trámite de Patente: Es registrar ante el IMPI la invención de la regadera ecológica, con el fin de proteger la obra intelectual y obtener los derechos de exclusividad.
Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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depiano/?PAGE_ID=1&INDEXorder=0&min_1=10&max_1=20.4&min_2=0&max_2=1& min_3=7.8&max_3=16.6&update=#startcontent
[16] Equivalencias métricas para brocas y machuelos.
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[17] Distribuidor de alambres para resortes de acero inoxidables.
Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Apéndice A
Norma Oficial Mexicana:
NOM-008-CNA-1998
Diseño de una regadera de bajo consumo de agua, “ecológica”
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Al margen un logotipo, que dice: Comisión Nacional del Agua.
CRISTOBAL JAIME JAQUEZ, Director General de la Comisión Nacional del Agua, con fundamento en lo dispuesto en los artículos 32 Bis fracciones I, II, III, IV y V de la Ley Orgánica de la Administración Pública Federal; 1o., 3o. fracciones IV y XI, 40, 41, 43, 44, 45, 47 y demás relativos y aplicables de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización; 28, 31, 32 y 34 del Reglamento de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización; 3o. fracción VI, 4o., 9o. fracción XII, 12, 100, 119 fracción VI, 120 y 121 de la Ley de Aguas Nacionales; 10 segundo párrafo y 14 fracción XI del Reglamento de la Ley de Aguas Nacionales; 39 fracciones V y VI del Reglamento Interior de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, y
CONSIDERANDO
Que habiéndose cumplido el procedimiento establecido por la Ley Federal sobre Metrología y Normalización para la elaboración de proyectos de normas oficiales mexicanas, el C. Presidente del Comité Consultivo Nacional de Normalización del Sector Agua ordenó la publicación del Proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-008-CNA-1998, que establece las especificaciones y métodos de prueba que deben cumplir
las regaderas empleadas en el aseo corporal, publicado en el Diario Oficial de la Federación el día 21
de septiembre de 1998, a efecto de que los interesados presentaran sus comentarios al citado Comité Consultivo. Que durante el plazo de sesenta días naturales, contados a partir de la fecha de publicación de dicho Proyecto de Norma Oficial Mexicana, los análisis a que se refiere el citado ordenamiento legal, estuvieron a disposición del público para su consulta.
Que dentro del plazo referido, los interesados presentaron sus comentarios al Proyecto de Norma, los