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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 1 - 21 UNIDAD Nº 2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS Muchos y variados son los fluidos que se manejan en una industria, tales como materias primas, producto semielaborado y producto terminado; fluidos de servicios como agua, vapor y aire comprimido; soluciones de limpieza y sanitización; efluentes; petróleo y sus derivados (oleoductos), gas (gaseoducto), productos químicos, etc. En la mayoría de los casos, los fluidos no se pueden transportar por canales abiertos, debiéndolo hacer por conducciones cerradas que reciben el nombre de tuberías. Un tubo o caño es un conducto que cumple la función de transportar fluidos. Una tubería o cañería es el conjunto de tubos (o caños) y accesorios que constituyen el sistema. Los tubos se clasifican en función de su diámetro y espesor de pared. En tuberías de ACERO, los diámetros nominales normalizados, están comprendidos en el intervalo de 1/8 a 30 pulgadas. En tuberías grandes de más de 12” de diámetro, el diámetro nominal es igual al diámetro externo real; en tuberías pequeñas el diámetro nominal no corresponde con ninguna dimensión real. Para tuberías de 3” a 12”, el valor nominal es próximo al valor real, pero para tuberías pequeñas esto no es cierto. Las tuberías de otros materiales se fabrican también con el mismo diámetro externo que las tuberías de acero, con el fin de poder intercambiar las diversas partes de un sistema de conducción. Estas dimensiones normalizadas de tuberías se las conoce como IPS (iron pipe size) o NPS (normal pipe size), que significa que se trata de una tubería que tiene el mismo diámetro exterior que una tubería normalizada de acero de esa medida. Un caño por su parte se caracteriza porque sus diámetros nominales coinciden con el diámetro externo. El espesor de la tubería está relacionado principalmente con la presión interna a la que va a estar sometida, que se transmite como una fuerza al material de la misma; a medida que aumenta la presión interna, deberá aumentar el espesor de la tubería. La relación existente entre el espesor (e), la presión interna (P) y el diámetro de la tubería (D) se expresa como: σ . 2 D . P e= donde: es la tensión admisible del material de la tubería. A medida que aumenta la presión, el diámetro de la tubería deberá disminuir, o en su defecto, aumentar el espesor de la pared. El espesor de las tuberías es caracterizado por el Número de cédula (Schedule number), que está dado por la fórmula aproximada: P . 1000 cédula de Número Siendo P la presión interna de trabajo en Kg/m2 y σ la tensión admisible del material empleado, en Kg/m2. Se emplean diez números de cédulas, 10,20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160, pero para tuberías menores a 8” de diámetro, sólo se utilizan los números 40, 80, 120 y 160. Los materiales utilizados para las tuberías son variados, siendo de uso corriente: https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 2 - 21 Tubos de acero Construidos de acero al carbono. Hay tres métodos de fabricación de tubos de acero: 1.- Acero estirado o Sin costura (sin soldadura): La tubería es un lingote cilíndrico que se calienta en un horno antes de la extrusión. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador. El tubo sin costura es el mejor para la contención de la presión gracias a su espesor y homogeneidad en todas sus direcciones. El montaje se realiza soldando los tubos con los accesorios. 2.- Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa, la cual se dobla para darle forma a la tubería. La soldadura que une los extremos de la chapa doblada cierra el cilindro. Por tanto, es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión máxima admisible. Entre las principales aplicaciones podemos mencionar transporte de vapor de agua (tubos sin costura), gaseoductos, oleoductos, etc. Tubos de acero galvanizado La tubería de acero galvanizado es una tubería de acero al carbono (estirado o con soldadura), como en el caso anterior, pero a la que se ha sometido a un proceso de galvanizado (proceso electroquímico de electrodeposición galvánica por el cual se puede cubrir el acero al carbono con cinc) interior y exteriormente. Zn2+ potencial oxidación = 0,8 ánodo se oxida rápido formando óxido estable Fe2+ potencial oxidación = 0,4 cátodo El galvanizado se aplica después de formado el tubo. Al igual que la de acero al carbono, se dobla la placa a los diámetros que se requiera. Existen con costura y sin costura y se utiliza para transportar agua potable, gases o aceites. Se utiliza el sistema de roscado para el ensamble de tubos y accesorios. Tubos de fibrocemento Las tuberías de fibrocemento comenzaron a utilizarse en las primeras décadas del 1900, y hasta la década de 1960-1970 se utilizó ampliamente tanto en sistemas de abastecimiento de agua potable como en sistemas de riego por presión. En Europa, a partir de la década de 1980 su uso empieza a decaer y para la de 1990 se comienza a prohibir en algunos países europeos; en España se prohíbe su uso y comercialización a partir de junio de 2002, ya que la exposición frecuente al amianto, por medio de la inhalación de sus pequeñas fibras, podría ocasionar enfermedades irreversibles, como la asbestosis y el cáncer de pulmón. Al 2010, la mayoría de los organismos financiadores multilaterales tenían prohibido su uso. Tubos de Acero inoxidable El acero inoxidable es una aleación cuyo principal componente es el hierro, al que se añade una cantidad de carbono y cromo. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que cierta cantidad de cromo (el mínimo para conseguir propiedades https://es.wikipedia.org/wiki/Extrusi%C3%B3n UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 3 - 21 inoxidables es del 10.5 %) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación. Algunos tipos de acero inoxidables contienen además otros elementos como el níquel y el molibdeno. Estos aceros son resistentes a la corrosión; el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él, formando una capa pasiva que evita la corrosión del hierro contenido en la aleación. Los aceros inoxidables tienen una amplia aplicaciónen la industria química, petroquímica, alimentaria, electrodomésticos, mobiliario urbano y arquitectura, entre otros. Entre las razones para elegir un acero inoxidable podemos citar: - Ecológico (100% reciclable). - Resistencia a la corrosión por picadura o “Pitting”. - Resistencia al calor y fuego. - Moderno y atractivo. - Higiénico y de fácil limpieza. - Apariencia estética. - Alta vida en servicio. Los tipos de aceros inoxidables que más se comercializan son: Tipo 430, 434, 304, 310 y 316. TIPOS: Ferríticos: contienen como elemento aleante solamente cromo. Son magnéticos y se distinguen porque son atraídos por el imán. Ejemplo: tipo AISI 430, 409 y 434. Austeníticos: Los aceros inoxidables que contienen entre sus elementos aleantes más de un 7 % de Níquel, no son magnéticos y por lo tanto no son atraídos por el imán. Ejemplo: Tipo AISI 304, 316, 310 y 317. Los sistemas de tuberías de acero inoxidable se ensamblan soldando los tubos con los accesorios. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 4 - 21 Tubos de hormigón La tubería de cemento, hormigón u hormigón armado es eficaz, económica y ecológica para redes hidráulicas que trabajan en régimen libre o en baja presión. La experiencia en su utilización es amplia, ya que el uso del hormigón como material de construcción es muy antiguo y ha tenido, a lo largo del tiempo, muchas modificaciones, tanto en la composición de los materiales utilizados para el hormigón como en los procedimientos constructivos. Los tubos de hormigón pueden ser de: hormigón centrifugado hormigón armado hormigón pre-tensado Evidentemente las tuberías de hormigón, como todas las otras tuberías, tienen ventajas e inconvenientes. Las principales son: Ventajas - Los tubos de hormigón pueden ser construidos en lugares próximos al lugar donde serán empleados, con parte de los materiales encontrados en el lugar. - Los procedimientos constructivos son relativamente simples. - Pueden construirse en un rango de dimensiones muy amplia. - Son relativamente fáciles de instalar. - Una de las ventajas diferenciales del tubo de hormigón armado es que permite adecuar el tubo a las cargas del terreno y sobrecargas externas a que en cada posición del trazado esté sometida la tubería, y la resistencia de la tubería puede adaptarse a las circunstancias reales a que vaya a estar sometida. Desventajas - Son susceptibles a la corrosión interna y externa, en presencia de sulfuros. - Exige un número considerable de juntas, lo que propicia las infiltraciones, ya sea desde adentro de la tubería, con lo cual puede contaminarse el medio exterior, o desde el exterior del tubo, lo que produce un incremento y/o contaminación del caudal transportado. Tubos de polietileno (Plastiducto) El polietileno (C2H4)n es un producto plástico, incoloro, traslúcido, termoplástico, flexible, inodoro, no tóxico, que se descompone a una temperatura alrededor de los 300ºC y menos denso que el agua. Las características del polietileno varían según el procedimiento empleado para su producción. Se obtiene por la polimerización del gas ETILENO (eteno), CH2 = CH2, producto resultante del craqueo de la nafta del petróleo. Inicialmente se consiguió a base de someter el Elileno a altas presiones entre 1000 y 1500 atmósferas, y temperaturas entre 80 y 300ºC, resultando el polietileno denominado de alta presión o Baja Densidad (PEBD, PE32 ó s/CEN PE40). Últimamente se ha profundizado en la investigación adicionando determinados copolímeros, lo cual ha permitido obtener polietilenos de características físicas y mecánicas más elevadas, denominándose el producto Polietileno de 3ª generación (PE100). Las tuberías de Polietileno presentan ventajas frente a las fabricadas con otros materiales tradicionales. De forma general, pueden especificarse como: - Uniones de rápida y fácil ejecución, garantizando la estanquidad de la conducción. - Inertes UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 5 - 21 - Inodoras - Insipidas - Atoxicas, cumpliendo la normativa sanitaria vigente. - Inalterables a la acción de terrenos agresivos, incluso de suelos con alto contenido de yeso o zonas de infiltraciones peligrosas. - Insolubles - Resistentes a la mayor parte de agentes químicos, tales como álcalis, aceites, alcoholes, detergentes, lejías, etc., excepto disolventes. - Bajo factor de fricción: Las paredes del tubo pueden considerarse hidráulicamente lisas y ofrecen una resistencia mínima a la circulación del fluido, produciendo pérdidas de carga inferiores a las tuberías de materiales tradicionales. - Duraderas: Vida útil superior a 50 años, con un coeficiente residual de seguridad al alcanzar este tiempo. - Mantenimiento prácticamente inexistente. - Flexibles: Permiten sensibles variaciones de dirección con curvaturas en frío sin necesidad de accesorios, adaptándose a trazados sinuosos. Pueden fabricarse en bobinas en diámetros hasta 90 mm en grandes longitudes. Ligeras: Fáciles de transportar y montar, lo que se traduce en economía de medios para su instalación. Para el montaje del sistema de tuberías se emplean accesorios en forma de espigas, que se introducen a presión en el tubo; algunos poseen rosca en el otro extremo, de forma de vincularlo a otras tuberías o accesorios. Tubos de Polipropileno (Termofusión) Por ser un copolímero formado por la unión de monómeros de propileno y etileno, su rango de uso se ve ampliado hacia las zonas de bajas temperaturas, incluso en valores bajo cero. Además, esta materia prima fue elegida especialmente por la gran resistencia que otorga a los productos sometidos a altas temperaturas y presiones a través del tiempo. Propiedades físicas - Baja conductividad térmica: Reduce la disipación de calor del fluido que circula en el interior (0,21 W/mK) evita la condensación que normalmente ocurre en la superficie exterior de tuberías metálicas bajo determinadas condiciones hidrométricas. - Gran elasticidad: Permite absorber mejor las tensiones ocasionadas por la dilatación lineal de las tuberías y brinda un excelente comportamiento a vibraciones o movimientos telúricos. - Resistencia al impacto: Por maltratos en obra, transporte o los producidos en su funcionamiento (golpes de ariete). - Buena resistencia a temperaturas y presiones moderadas - Eternamente inoxidable - Asegura mayor caudal en el tiempo: Las superficies internas totalmente lisas y su escaso coeficiente de rozamiento, contribuyen a una mínima pérdida de carga; además impiden la formación de sarro, evitando la disminución de la sección de paso. - Maximiza el aprovechamiento de la presión de red - Liviano y de fácil manipuleo - Alta resistencia química: Excelente comportamiento ante aguas duras y aguas con elementos ácidos y alcalinos, apto para la conducción de líquidos con alto contenido de agentes agresivos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la IndustriaIng. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 6 - 21 - Completamente atóxico El polipropileno se presenta comercialmente en dos variantes, conocidas como: - Termolem: tubos de color marrón, con sistema de unión y ensamble con accesorios por medio de rosca. Económico, reutilizable, de fácil montaje; baja resistencia a exposición solar. Presenta mayor probabilidad de fugas de fluido. Utilizado en fluidos líquidos. - Termofusión: el sistema se ensambla por un método de soldadura por temperatura, fundiendo la zona de unión del tubo y los accesorios, logrando un sistema de alta estanqueidad. Presenta además accesorios de polipropileno con insertos metálicos que permiten vincular al sistema otros materiales o accesorios. Tubos de PVC La denominación de tuberías PVC proviene del policloruro de vinilo, que es un polímero termoplástico. Entre los puntos a favor de las tuberías PVC se encuentra su capacidad para hacer fluir fácilmente los deshechos que normalmente se arrojan. Esto se debe a que los tubos y las conexiones que se dan entre ellos tienen una superficie bastante lisa, lo cual a su vez impide por completo que se produzcan obstrucciones o atascamientos. Otra de las ventajas de las tuberías PVC es su peso ligero y sus distintas longitudes. Esto último siempre se constituye en un punto a favor si tenemos en cuenta el proceso de instalación, que muchas veces puede tornarse en una tarea sumamente ardua. Las tuberías y accesorios de PVC presentan una resistencia excelente a entornos agresivos tanto de carácter natural como a consecuencia de la actividad industrial. Son resistentes a casi todo tipo de corrosión, ya sea de carácter químico o electromecánico. Como el PVC no es conductor, no hay efectos galvánicos y electroquímicos. Las tuberías y accesorios de PVC se usan a menudo en las siguientes circunstancias: - Para sistemas de distribución de tuberías de agua, tanto tuberías principales como de suministro - Sistemas de tuberías de alcantarillado y desagüe Debido a su naturaleza no metálica, el material usado es totalmente resistente a todas las formas de corrosión metálica. El agua corrosiva proveniente de suelos muy sulfatados y el agua de baja dureza no atacan a las tuberías de PVC. Las tuberías de PVC se ensamblan entre sí y con sus accesorios por dos sistemas: - Soldado químico con un pegamento - Cierre por ajuste por presión con cierre de oring de goma. Tubos de Cobre y Bronce Utilizados en aplicaciones especiales como conducción de gas, de fluidos frigorígenos en estalaciones frigoríficas o en la industria automotriz. Normalmente se presentan en tubos continuos, dispuesto en forma de rollos, con diámetros normalizados desde ¼ pulgada de diámetro. La unión de los mismos es generalmente a través del sistema de tuerca con virola. La elección del tipo de material depende de una serie de factores, entre los que se destacan: - Características del fluido a transportar: relacionado con la viscosidad, densidad y el efecto abrasivo y de corrosión que puede causar sobre el material de la tubería. - Presión y temperatura de trabajo. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 7 - 21 - Condiciones de instalación - Medio ambiente en el que se encontrará la tubería - Costo y disponibilidad Las tuberías de acero dulce son afectadas por la corrosión, por lo cual no son aptas para fluidos corrosivos, ácidos etc.; también son afectados por corrosión externa por lo que comúnmente se las recubre con cinc obteniendo el acero galvanizado. En fluidos que no son muy corrosivos se usa acero protegido exteriormente por barnices, resinas, etc. Por su parte el acero inoxidable es resistente a la corrosión, acidez, alcalinidad y temperatura y su empleo está muy difundido en numerosas aplicaciones, especialmente las relacionadas con la industria de la alimentación. Los materiales cerámicos y el cemento eran ampliamente utilizados en la conducción de efluentes y fluidos cloacales, aunque su empleo paulatinamente está siendo reemplazado por materiales plásticos. Los materiales plásticos a base de polipropileno y polietileno, conocidos en el rubro como “termolen”, “termofusión” y “plastiducto” han tenido en las últimas tres décadas una creciente utilización y su empleo es cada vez más común para la conducción de numerosos fluidos entre los que se destaca el agua y el aire comprimido. ACCESORIOS UTILIZADOS EN TUBERÍAS Los accesorios nos permiten el montaje del sistema de tuberías. Se utilizan en las mismas para: - Unir tramos de tubos - Cambiar la dirección de la línea - Cambiar el diámetro de la tubería - Conectar diferentes ramas a la línea - Cerrar el final de la tubería - Regular el flujo del fluido transportado o cortar el mismo. Los accesorios se vinculan al resto de la instalación de diferentes modos. Se destacan los roscados, que pueden poseer rosca interna en sus dos extremos, externa en sus dos extremos o una interna y la otra externa. En el primer caso se los denomina HH (hembra – hembra); en el segundo MM (macho – macho) y en el tercero HM (hembra – macho). En tuberías metálicas que estarán sometidas a altas presiones, las uniones entre tubos y accesorios se realizan por soldadura, por lo que los accesorios vienen preparados para ello. En el caso de Polipropileno para termofusión, los accesorios vienen diseñados para se fundidos en su perímetro interior (accesorios hembra) o en su perímetro exterior (accesorios machos). Por su parte el PVC se vincula, bien por fusión con agentes químicos, por lo que se aplica un adhesivo especial en las partes a unir, o bien por presión con junta tipo o`ring. . Los accesorios más comunes utilizados para el montaje de las instalaciones para conducción de fluidos son: 1. Cupla: son tramos de tubería de largos estandarizados que poseen en sus extremos, y del lado interno, roscas que permiten roscar un tramo de tubería en cada uno y de esta forma ensamblar dichos tramos. 2. Niple: similar al anterior pero en este caso la rosca de los extremos se encuentra en la parte externa. Normalmente se utilizan para vincular UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 8 - 21 secciones de tuberías con otros accesorios como codos, te, reducciones, válvulas, etc. 3. Tuerca con rosca: cumple una función análoga al niple, pero posee una tuerca en el cuerpo del accesorio, entre las dos roscas, que permiten el empleo de una llave común para la colocación y montaje. Suelen ser de longitudes menores a los niples. 4. Codo: permite ensamblar tramos de tuberías en ángulos determinados y de esta forma cambiar la dirección de la tubería 4.1.- Codos de 90º: une dos tramos en un ángulo de 90 º 4.2.- Codos de 45º: une dos tramos en un ángulo de 45 º Existen codos H-H, M-H y M-M,tanto a 90° como a 45° 5. Curvas: cumplen una función análoga a los codos pero en ellas el radio de giro es mayor, como mínimo dos veces el diámetro. 6. Codos de reducción: en este caso el accesorio permite cambiar tanto la dirección como la sección de la tubería. En la figura se observa un codo reductor HH. 7. Cupla de Reducción: elemento similar a una cupla en la cual los extremos son de diferente diámetro, lo que permite ensamblar tramos de tuberías de distinto diámetro, pasando así de una sección determinada a otra menor o mayor. 8. Buje de Reducción: Función similar a la cupla de reducción, pero el elemento consta de una rosca interna de la medida del tubo menor y de una rosca externa de la medida del tubo mayor, de forma de roscar en cada una de ellas los tubos de distinto diámetro. 9. Te y crucetas: permite conectar más de dos ramas de una tubería en un mismo punto. Existen en ángulos de 90° y de 45°, con empalme curvo y también con reducción en y o dos de sus ramas. 10. Tapa y tapones: permiten obstruir totalmente el flujo en el extremo de una tubería. Te Cruz Tapa Tapón UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 9 - 21 11. Unión doble: elemento que vincula dos tramos de tubería y que permite luego separarlos sin ningún movimiento de dichos tramos. Se emplean en lugares de la tubería que requieren acceso frecuente o fundamentalmente justo antes de la conexión de equipos a la tubería, que periódicamente deben desconectarse de la misma para mantenimiento, reparación o reemplazo o simplemente por necesidad durante el montaje. 12. Brida: Consiste en dos platinas circulares que se unen entre sí mediante bulones. Se emplean en tuberías de grandes diámetros y en aquellas sometidas a elevadas presiones y esfuerzos, para unir tramos de tubería o bien permitir la introducción de diversos accesorios. En otros casos, como el de la brida ciega, la función es tapar un extremo de la cañería. VÁLVULAS Existen un gran número de válvulas, de tamaños y formas muy diferentes. A pesar de la amplia variedad de diseños, todas tienen un fin principal que es común: disminuir o detener el flujo de un fluido. Algunas son del tipo todo – nada, es decir, funcionan abriendo o cerrando totalmente el flujo; otras se diseñan de forma que puedan ser reguladas, reduciendo así el flujo de fluido. La construcción de otros tipos permite el flujo de fluido solo en una dirección. En todos los casos las válvulas detienen o controlan el flujo colocando un obstáculo en la trayectoria del fluido, el cual puede moverse a voluntad dentro de la tubería sin que existan fugas del fluido hacia el exterior de la misma. Donde la resistencia al flujo que provoca una válvula abierta sea pequeña, el obstáculo y la abertura que ha de cerrarse han de ser grandes. Para el control preciso del flujo se requiere reducir grandemente el área de la sección transversal de la tubería de forma de introducir un pequeño obstáculo, lo que origina una gran caída de presión. Los tipos de válvulas comúnmente utilizadas son: 1.- Válvulas de globo o asiento Se utilizan para cortar o regular el flujo de líquido y este último es su uso principal. El fluido circula a través de una pequeña apertura y cambia el sentido de flujo (2 vueltas en ángulo recto) lo que ocasiona turbulencia y caída de presión. Los principales componentes de una válvula globo son el cuerpo, el volante, el vástago (con rosca interna o externa), la empaquetadura o estopada (asbesto o grafito con un aglutinante), la tuerca prensa estopa, el disco y el asiento. Existen distintos tipos de discos, entre los que se destacan: - Disco de composición: tiene una cara plana que se oprime contra una superficie metálica anular de asiento plano. No recomendado para líquidos pero bueno para gases y aire. - Disco metálico: troncocónico que cierra sobre un asiento cónico. Buen cierre para líquidos. - Disco macho: de configuración troncocónica alargada. Buena regulación. El disco puede ser todo de metal o de un material elástico. El empleo de estos últimos disminuye el riesgo de romper el asiento. Los asientos pueden ser fundidos integrales o anillos de asiento reemplazables. Roscada Deslizante Ciega Con cuello para soldar UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 10 - 21 Las válvulas de asiento se vinculan con el sistema de tuberías por medio de roscas o bridas (en grandes dimensiones o altas presiones). 2.- Válvulas de compuerta Los componentes son similares a las válvulas globo. En las válvulas de compuerta el diámetro de la abertura a través de la cual pasa el fluido es prácticamente el mismo que el de la tubería y no varia la dirección del flujo; por ello, la caída de presión que esta válvula abierta produce es menor que la originada por una de globo. El disco tiene forma de cuña y se adapta a un asiento de la misma forma; cuando se abre la válvula, el disco se eleva dentro del cabezal hasta que queda completamente fuera de la trayectoria del fluido. 3.- Válvulas esféricas (de bolas) Estas válvulas se utilizan para el servicio de corte y no son satisfactorias para regulación. Son rápidas para operarlas (un cuarto de giro hace que la válvula pase de totalmente abierta a totalmente cerrada), de mantenimiento fácil y no requieren lubricación. Los principales componentes de estas válvulas son: el cuerpo, la bola y el asiento. Hay dos tipos principales de cuerpos: entrada superior (la bola y los asientos se instalan por la parte superior) y cuerpo divido (la bola y los asientos se instalan desde los extremos). Las bolas tienen normalmente orificios completos (igual al diámetro interior de la tubería), pero también existen orificios tipo venturi (flujo de venturi dentro del cuerpo) y orificios reducidos (menor diámetro que la tubería). Los asientos son de materiales tales como grafito, Nylon, neopreno. El vástago por lo general no está sujeto a la bola, sino que se hace una ranura en la misma y el extremo del vástago calza en dicha ranura y permite girarla. Se fabrican de una variada gama de materiales metálicos y plásticos en tamaños desde 1/4” hasta 36”. Las válvulas de bolas, al igual que las de macho, pueden ser de orificios múltiples y se pueden utilizar en lugar de dos o tres válvulas rectilíneas, lo cual simplifica la tubería y reduce codos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 11 - 21 4.-Válvulas de macho El uso principal de las válvulas de macho es en servicio de corte y no de regulación. El flujo es suave, hay poca turbulencia y la caída de presión es baja. Son de acción rápida, operación sencilla, espacio mínimo para la instalación y cierre hermético cuando el macho es cónico. Hay dos tipos principales de válvulas de macho; lubricadas (para evitar pérdidas y reducir la fricción) y no lubricadas (el macho posee un revestimiento). Los componentes básicos son: el cuerpo, el macho y la tapa. El macho es cónico o cilíndrico, y los orificios tienen diferentes diseños (redondo completo, rectangular, de venturi, rombo). Estas válvulas tienen extremos de rosca, con brida o soldados. Se fabrican de una variada gama de materiales metálicos y plásticos en tamaños desde 1/4” hasta 36”. 5.- Válvulas de mariposa Posee un disco que tiene el mismo diámetro que los tubos que conecta. Un eje, el vástago, pasa a través del disco sujetándose a este y está apoyado en ambos extremos del cuerpo. Al girar 90º el vástago, el disco abre o cierra la válvula. Para la estrangulación, el disco se abre a una posición intermedia, en la cual se mantiene por medio de un seguro. El asiento de la válvula puede ser metálico o de un material elástico. En este último caso existen limitaciones de uso respecto de las temperaturas de trabajo. El uso principal de este tipo de válvulas es para servicio de corte y estrangulación cuando se manejan grandes volúmenes de gases y líquidos, y su empleo es cada vez más común en la industria de la alimentación debido a que son válvulas con un diseño sanitario de fácil y completa limpieza. 6.- Válvulas de retención Una válvula de retención permite el flujo solamente en una dirección. Se abre debido a la presión del fluido que circula en una determinada dirección; cuando se detiene el flujo o tiende a invertirse, la válvula cierra automáticamente por gravedad, por medio de un resorte o por la propia presión del fluido que circula en sentido inverso al permitido por la válvula. Existen distintos diseños de válvulas de retención, siendo los más comunes la de bisagra o clapeta, la de bolas y la de disco por elevación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 12 - 21 L D D e e DIMENSIONES CARACTERÍSTICAS DE UNA TUBERÍA Para una tubería se establecen como dimensiones características: - El diámetro interno (o radio hidráulico) de la tubería - La longitud de la misma El espesor de la tubería está relacionado principalmente con la presión interna a la que va a estar sometida, que se transmite como una fuerza al material de la misma; a medida que aumenta la presión interna, deberá aumentar el espesor de la tubería. LEY DE ARRASTRE O RESISTENCIA UNIVERSAL Con el conocimiento de capa límite, podemos generalizar el concepto de que, siempre que tengamos un movimiento relativo entre un sólido y un fluido, surgirán efectos resistentes que estarán regidos por las leyes de la cantidad de movimiento. Suponiendo una esfera que se mueve en el seno de un fluido a una velocidad v, el fluido en contacto con ella también es movilizado con una cierta velocidad , diferente de v, lo que originará la aparición de fuerzas resistentes en esta zona (F). Esta fuerza está dada por la variación de la cantidad de movimiento que experimenta el fluido. ( ) θ μ d . md dF = θ μ θ μ d dm . d d m. dF += Como 0 n aceleració d d == θ μ dV . dm donde d dV . . dF ⇒ d dm . dF ρ θ ρ μ θ μ === dθ dd . ρ .A .μ dF v . .A . dF dρμ= v. .A . F ρμ= Buscando la relación existente entre las dos velocidades, v y , se determino que: v. f´ 1/2 Donde f es un factor de fricción que depende de las características del sólido, representada por la rugosidad relativa /d, las características del fluido, incluidas en el número de Reynolds y el tipo de régimen establecido. 2 v. .A . f´ 1/2 F .A . v. v. f´ 1/2 F 2 v.A . . ́ f F 2ρ = d v µ UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 13 - 21 F es la fuerza resistente relacionada con la energía cinética e indica la fuerza de fricción que se origina entre un sólido y un fluido que se encuentran en movimiento relativo. En la ecuación anterior, A representa el área de contacto entre el fluido y el sólido; la densidad del fluido y v la velocidad del sólido. La existencia de fuerzas de fricción origina pérdidas de energía, que en una tubería por la que circula un fluido, se manifiestan como una caída de presión. Esta caída de presión expresada en metros de columna de líquido, se conoce como Pérdida de carga. CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERIAS Y ACCESORIOS Si deseamos calcular la fuerza de fricción que aparecerá entre el fluido circulante en una tubería y la pared de la misma, podemos aplicar la ley de arrastre universal ya que será un caso más de movimiento relativo entre un sólido y un fluido. 2 v.A . . ́ f F 2ρ = L . D . πA Área de contacto 2 v. L . D . π. ρ . ́ f 2 v.A . ρ . ́ f F 22 La fricción entre el fluido y la pared de la tubería se manifiesta como una caída de presión, por lo cual se relaciona la fuerza de fricción con la sección transversal de la tubería: 4 D . π 2. v. L . D . π. ρ . ́ f ΔP 4 D . π F 2 2 2 D v. L . ρ . ́ f . 2 ΔP 2 La relación entre la caída de presión y el peso específico se conoce como pérdida de carga (H) y representa la altura de columna de líquido de densidad que equivale a la caída de presión P. Si dividimos la ecuación anterior por el peso específico, tendremos: g . Pe donde D . g . v. L . . ́ f . 2 H Pe P 2 ρ ρ ρ Δ Δ === D . g v. L . ́ f . 2 H 2 =Δ (1) Cálculo del factor de fricción Ecuación de Haegen – Poiseville Haegen – Poiseville determinó los valores de la caída de presión para régimen laminar. La expresión obtenida fue: L D Q UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 14 - 21 D v. L .μ . 32 ΔP 2 = viscosidad absoluta ρ μ ν si g . ρ . D v. L .μ . 32 ΔH Pe ΔP2 g . D v. L . ν . 32 ΔH 2 (2) Si igualamos las ecuaciones 1 y 2, obtenemos: g . D v. L . ν . 32 D . g v. L . ́ f . 2 2 2 D . 16 v ́f v. D . 16 ́ f Re Nº 16 ́ f Expresión que permite calcular el valor del factor de fricción f ´ para régimen laminar, esto es para Nº Re < 2000. Darcy - Weisbach (1875) propusieron la siguiente ecuación que relaciona la pérdida de carga con parámetros del fluido y de la tubería, y que es la expresión corrientemente utilizada en la actualidad para calcular la pérdida de carga: D . g . 2 v. L . f H 2 =Δ (3) Si comparamos las ecuaciones 1 y 3: f ́f . 4 2 f ́f . 2 ⇒ D . g . 2 v. L . f D . g v. L . ́ f . 2 22 =⇒== Re Nº 64 f = Expresión que permite calcular el valor del factor de fricción f para régimen laminar, esto es para Nº Re < 2000. Las ecuaciones 1 y 3 son igualmente válidas para el cálculo de la pérdida de carga en una tubería, pero la 3 es la más comúnmente utilizada. Para cada una, el factor de fricción, en régimen laminar, se calcula como se desarrolló anteriormente. En el caso de encontrarnos en régimen turbulento, esto es para valores de Nº Re > 4000, la aplicación de las técnicas de análisis adimensional permite expresar el factor f como una función del número de Reynolds (Re) y de la rugosidad relativa de las paredes de la tubería, ε/D. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 15 - 21 • Blasius (1911) obtiene de forma experimental una primera expresión de f en función del Nº Re, válida para tubos lisos (aquellos en que ε/D no afecta al flujo, al quedar las irregularidades cubiertas por la subcapa laminar): -0,25Re . 0,3164 f • Prandtly – Von Karman (1930), partiendo del concepto de longitud de mezcla, perfeccionan la fórmula de Blasius para tubos lisos ampliando su rango de validez: • Nikuradse (1933) experimenta con tubos rugosos con rugosidades artificiales obtenidas mediante granos de arena tamizados, llegando a: • Colebrook – White (1939) consiguen reunir ambas expresiones en una sola, válida para todos los tipos de flujo y rugosidades. Además, es adaptable para tubos comerciales con tal de identificar su rugosidad equivalente de Nikuradse: (4) La solución de este tipo de ecuación es complicada, por lo que es de uso corriente el empleo de diagramas que la representan. Moody (1944) consigue representar la expresión de Colebrook en un ábaco de fácil manejo, conocido como diagrama de Moody (Ver anexo de tablas), en el cual puede obtenerse el valor de f en función de: - La rugosidad relativa de la tubería, /D: Los valores de varían para cada material y se encuentran tabulados datos empíricos que sugieren los valores a adoptar para cada material. (Ver anexo de tablas). La rugosidad relativa (/D) tiene en cuenta la rugosidad absoluta , que se define como la mayor diferencia de longitud que existe entre una cresta y un valle en la estructura superficial interna de la tubería, que depende del material y de la terminación de la misma. - El número de Reynolds, que es a su vez función de las propiedades del fluido y de la velocidad. La fórmula de Colebrook - White es hoy por hoy la más exacta y universal. Es válida para tubos de pequeño y gran diámetro, superficies lisas y rugosas, caudales bajos y altos, y fluidos de cualquier viscosidad (agua limpia, agua residual, aceites, aire, etc.) Sin embargo es la más difícil de aplicar, pues aparte de la complejidad de su expresión, el cálculo de f requiere efectuar iteraciones. En la década de los 70 se propusieron diversas fórmulas para aproximar explícitamente el valor de f, con el objeto de utilizar masivamente la fórmula de Colebrook. La fórmula explícita más precisa hoy en día es la de Swamme & Jain (1976): (5) f . Re 2,51 D . 3,7 ε log . 2- f 1 D . 3,7 ε log . 2- f 1 f . Re 2,51 log . 2- f 1 2 0,9 0,9 Re 5,74 D . 3,71 ε log 0,25 f Re 5,74 D . 3,71 ε log . 2- f 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 16 - 21 Válida para 10-6 < ε < 10-2 mm y 103 < Re < 108, con un error de ± 1 % Continuando con el análisis de la ecuación de Darcy – Weisbach: D . g . 2 v. L . f H 2 =Δ Debemos establecer los criterios necesarios para definir los restantes términos que la integran, además del factor de fricción f. Determinación de longitudes equivalentes (L) Distintos criterios de trabajo La longitud L que aparece en las expresiones de Darcy - Weisbach para el cálculo de la pérdida de carga es la longitud total de la tubería y está compuesta por: Longitud total = Long. Geométrica + Long. equivalente Longitud geométrica: corresponde a la suma de las longitudes lineales de la tubería. Longitud equivalente: Todo accesorio instalado en la tubería origina una pérdida de carga determinada y para ser considerada, se realiza una equivalencia entre la pérdida de carga que origina el accesorio y una longitud de cañería que originaria la misma pérdida de carga. Existen distintas formas para establecer la longitud equivalente de cada tipo de accesorio, pero todas ellas coinciden en tener como datos de partida al diámetro hidráulico de la tubería y el tipo de accesorio. Los más comunes (Ver anexo de tablas) son: - Ábacos: constituidos por tres escalas o reglas; a la izquierda el tipo de accesorio, al centro la longitud equivalente y a la derecha el diámetro de la tubería. En ellos, se une la posición del accesorio en la escala de la izquierda con el diámetro de la tubería en la de la derecha; donde corta a la escala central se determina la longitud equivalente. - Tablas de doble entrada: en las cuales se ingresa con el tipo de accesorio y el diámetro de la tubería y se determina la longitud equivalente. (Ver anexo de tablas) - Badger y Banchero propone un método alternativo en el cual no se tabulan las longitudes equivalentes sino que se dan las relaciones para cada tipo de accesorio entre el diámetro de la tubería y la longitud equivalente. A continuación se transcriben dichas relaciones. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 17 - 21 Cálculo de la velocidad media de circulación (v) Ecuación de continuidad La ecuación de continuidad es una consecuencia del principio de conservación de la masa. Para un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier sección de una corriente de fluido, por unidad de tiempo, es constante. Esta puede calcularse de la siguiente forma: constante v. S . v. S . 2 22 1 11 == ρρ Para fluidos incompresibles y para todos los casos prácticos en los que 1 es igual 2, la ecuación se transforma en: constante v. S v. S 2 2 1 1 Q Donde S es el área de la sección transversal al flujo y v la velocidad media de circulación. La velocidad de circulación v que aparece en la fórmula de Darcy es una velocidad media y puede obtenerse de la relación entre el caudal de fluido circulante y la sección de la tubería, de forma que: S . v Q = S Q v De acuerdo al tipo de fluido movilizado en la instalación, se sugieren rangos de velocidades aconsejables, que serán tomados en consideración al momento de realizar el diseño y especificar el diámetro de tubo a utilizar. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 18 - 21 Valores medios de velocidades usuales para algunos fluidos Fluido Condiciones Velocidad Vapor de agua saturado o ligeramente recalentado 0 a 2 Kg/cm2 20 m/s Vapor de agua saturado o ligeramente recalentado > 2 Kg/cm2 30 m/s Vapor de agua recalentado < 14 Kg/cm2 50 m/s Vapor de agua recalentado > 14 Kg/cm2 50-70 m/s Agua en servicios normales 1,0 – 3,0 m/s Amoniaco líquido 1,8 m/s Amoniaco gas 30 m/s Aceites 1,5 m/s Cloro líquido 1,5 m/s Gas Natural 30 m/s Hidrógeno 20 m/s Aire 0 - 2 Kg/cm2 20 m/s Oxígeno (temperatura ambiente) 10 m/s Ácido sulfúrico 1,2 m/s Agua de mar (en tubería recubierta de goma) 1,5 – 2,4 m/s Agua de mar (en tubería recubierta de cemento) 1,5 – 3,5 m/s Especificación del diámetro D El diámetro D a utilizar en la ecuación de Darcy, es el diámetro hidráulico, es decir aquel de la superficie con la cual el fluido está en contacto. En un tubo común, es directamente el diámetro interno, pero en situaciones distintas, debe usarse el concepto de diámetro equivalente. Diámetros equivalentes El diámetro equivalente se define como: mojado Perímetro ltransversaSección . 4 D eq = Por ejemplo, para un intercambiador tubo en tubo: D . π D . π 4 D . π - 4 D . π . 4 D 21 2 2 2 1 eq D D . π D - D . π 21 2 2 2 1 ( ) ( ) ( )21 2121 21 2 2 2 1 eq D D D D . D - D D D D - D D + + = + = 21 eq D - D D = Si tuviésemos una conducción de sección cuadrada: L L . 4 L . L . 4 mojado Perímetro ltransversaSección . 4 D eq Siendo L el lado de la conducción. D2 D1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 19 - 21 PÉRDIDA DE CARGA POR ENSANCHAMIENTO DE LA TUBERÍA (HENS) Si se ensancha bruscamente la sección transversal de la conducción, la corriente del fluido se separa de la pared y se proyecta en forma de chorro en la sección ensanchada. Después el chorro se expande hasta ocupar por completo la sección transversal de la conducción. El espacio que existe entre el chorro expansionado y la pared de la conducción, está ocupado por el fluido en movimiento de vórtice o remolino, característico de la separación de la capa límite, originando en esta zona una fricción y pérdida de carga importante. En la siguiente figura se ilustra este efecto: Las pérdidas por fricción correspondientes a una expansión brusca de la conducción son proporcionales a la carga de velocidad del fluido. bbaa S . v S . v Q == g . 2 v-v H 2 b 2 a ENS=Δ PÉRDIDA DE CARGA POR CONTRACCIÓN BRUSCA DE LA TUBERÍA (HC) Cuando se reduce bruscamente la sección transversal de la conducción, el fluido no puede adaptarse al borde en ángulo recto y la corriente pierde el contacto con la pared de la tubería. Como consecuencia de esto se forma un chorro que se proyecta en el interior del fluido estancado en la parte estrecha de la conducción. El chorro primeramente se contrae y luego se expansiona hasta ocupar toda la sección estrecha, reestableciéndose aguas abajo del estrechamiento la distribución normal de la velocidad. La sección de área mínima en la que el chorro pasa de la contracción a la expansión recibe el nombre de vena contracta. La siguiente figura representa una contracción en una tubería. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 20 - 21 Las pérdidas de carga por contracción brusca de la conducción son proporcionales a la carga de velocidad en la conducción estrecha y puede calcularse en forma similar al caso de un ensanchamiento; pero considerando que: bbaa S . v S . v Q == g . 2 v . K H 2 b C KC es un factor de proporcionalidad que recibe el nombre de coeficiente de pérdida por contracción y vb es la velocidad media aguas abajo en la sección estrecha B (vena contracta). Experimentalmente para flujo laminar, KC < 0,1 , la pérdida por contracción es despreciable. Para flujo turbulento el valor de KC está dado por la ecuación empírica: = )K a b C S S - 1( . 0,5 El factor KC se obtiene de gráficos como el siguiente, en función de la relación Sb/Sa. TEOREMA DE BERNOULLI La ecuación de Bernoulli presenta el balance de energía para sistemas abiertos reversibles en estado estacionario: g . dZ + v . dv + du + d(p.V) = dQR - dLcR resolviendo y reemplazando: g . dZ + v . dv + du + p . dV + V . dp = T . dS - dLcR Si se trata de un proceso que incluya alguna transformación irreversible, entonces podrá reemplazarse: dLcR = dLci + dLcP Esto es: g . dZ + v . dv + du + p . dV + V . dp = T . dS - dLci - dLcP Los subíndices del trabajo de circulación indican respectivamente: R , reversible; i , irreversible; P, perdido. Ya que: T . dS = du + p . dV Simplificando queda: g . dZ + v . dv + V . dp + dLcP = - dLci Que al integrar resulta: cL V.dp 2 vv zzg. Lc p 2 1 2 2 12i Ecuación que expresa que el trabajo real a suministrar al fluido (signo negativo y con subíndice i) será igual a la variación de energía potencial, de energía cinética, de la energía para el trabajo de flujo y el trabajo que se pierde en rozamientos en la cañería. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini OPERACIONES UNITARIAS I ____________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ Unidad Nº 2 – Tuberías – Pérdida de carga 21 - 21 W z2 z1 1 2 Plano de referencia Desde el punto de vista de la hidráulica, el teorema de Bernoulli se aplica calculando y expresando todos los términos energéticos en metros de columna de líquido. Consideremos un sistema en el cual se transporta un fluido de un estado 1 a otro 2. La bomba proporciona la energía necesaria para originar el movimiento (W = Lci). Supongamos un Kg de líquido que entra por 1 y que la presión es P1, la velocidad v1 y el volumen específico del líquido es V1 (1/Pe1). El punto 1 está situado z1 por encima de un plano de referencia arbitrario. De esta forma la energía total en 1 tendrá una componente de energía potencial, una de energía cinética y una de presión, debida esta última al trabajo que debe realizar el fluido para vencer la presión cuando ingresa en 1. Expresado en metros de columna de líquido: Pe P g . 2 v 1 2 1 1 z Una vez que el sistema ha alcanzado el estado de régimen permanente, siempre que en la tubería entra un Kg. de líquido es desplazado a 2, de acuerdo con el principio de conservación de la masa. Este Kg. que sale por 2 tendrá un contenido de energía de: Pe P g . 2 v 2 2 2 2 ++z El contenido total de energía en el estado 1 debe ser el mismo que el contenido de energía total en el estado 2. Para llevar el sistema de 1 a 2, debo agregar energía, trabajo de bombeo (W); mientras que por la circulación del fluido se producen pérdidas de carga debida a la fricción (H = Lcp). La expresión que representa el balance energía completo, conocida como ecuación de Bernoulli, es la siguiente: Pe P g . 2 v W H - Pe P g . 2 v 2 2 2 2 1 2 1 1 ++=+++ zΔz De la ecuación anterior se deduce que el trabajo de bombeo se calculará como: H Pe P - P g . 2 v- v - W 12 2 1 2 2 12 Δzz +++= “La energía de bombeo debe ser la necesaria para cubrir las diferencias de energía potencial, energía cinética, presiones y pérdidas entre 1 y 2. H: Pérdidas en la tubería + pérdidas por ensanchamiento + Pérdidas por contracción. La potencia de la bomba se calcula con la siguiente expresión: η . 75 Pe . W . Q Potencia Donde: [Pot] = CV; [Q] = m3/s; [W] = m; [Pe] = Kg/m3; [75] = Kg.m/s.CV; [] = sin unidades.
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