Flujo en Tuberías
Luis Emilio Pardo Aluma
10.
BIBLIOGRAFIA:
1. MECANICA DE FLUIDOS APLICADA Robert L. Mott. Prentice – Hall, México 1996 2. FLUJO EN TUBERIAS Y CANALES Rodrigo Cano Gallego Facultad Nacional de Minas, Medellín 1985 3. MECANICA DE FLUIDOS Merle C. Potter / David C. Wiggert Prentice Hall, Mexico 1998 4. EPANET 2 USERS MANUAL Lewis A. Rossman U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH 2000 5. HIDRAULICA GENERAL Gilberto Sotelo Avila Ed. Limusa 1998 6. FLUJO DE FLUIDOS En válvulas, accesorios y tuberías Crane Co. Mc. Graw - Hill 1985 7. BOMBAS Kenneth McNaughton Mc. Graw – Hill, México 1992 8. MÉTODOS NUMÉRICOS APLICADOS A LA INGENIERÍA Terence J. Akai Editorial Limusa, México D.F., 1999 9. EL AGUA Manuel Guerrero Legarreta Fondo de Cultura Económica, México D.F., 1991
101
Flujo en Tuberías
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Luis Emilio Pardo Aluma
Flujo en Tuberías
Luis Emilio Pardo Aluma
11. ANEXOS
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Flujo en Tuberías
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Flujo en Tuberías
Luis Emilio Pardo Aluma
A Propiedades del agua Tabla A.1
Temperatura (ºC)
Peso especifico
γ
3
(kN/m ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
9.81 9.81 9.81 9.81 9.79 9.78 9.77 9.75 9.73 9.71 9.69 9.67 9.65 9.62 9.59 9.56 9.53 9.50 9.47 9.44 9.40
Densidad
Viscosidad dinámica
ρ
µ
1000 1000 1000 1000 998 997 996 994 992 990 988 986 984 981 978 975 971 968 965 962 958
(Pa*s) o (N*s/m2) 1.75*10-3 1.52*10-3 1.30*10-3 1.15*10-3 1.02*10-3 8.91*10-4 8.00*10-4 7.18*10-4 6.51*10-4 5.94*10-4 5.41*10-4 4.98*10-4 4.60*10-4 4.31*10-4 4.02*10-4 3.73*10-4 3.50*10-4 3.30*10-4 3.11*10-4 2.92*10-4 2.82*10-4
(kg/m3)
Viscosidad cinemática
ν
(m2/s) 1.75*10-6 1.52*10-6 1.30*10-6 1.15*10-6 1.02*10-6 8.94*10-7 8.03*10-7 7.22*10-7 6.56*10-7 6.00*10-7 5.48*10-7 5.05*10-7 4.67*10-7 4.39*10-7 4.11*10-7 3.83*10-7 3.60*10-7 3.41*10-7 3.22*10-7 3.04*10-7 2.94*10-7
Presión de Vapor Pv (kPa) 0.610 0.872 1.13 1.60 2.34 4.24 7.38 12.3 19.9 31.2 47.2 70.1 101.3
105
Flujo en Tuberías
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B Propiedades de los líquidos comunes Tabla B.1 (25ºC)
Gravedad Especifica sg
Peso Especifico γ (kN/m3)
Densidad ρ (kg/m3)
Acetona
0.787
7.72
787
Viscosidad Dinámica µ (Pa*s) o (N*s/m2) 3.16*10-4
Alcohol etílico
0.787
7.72
787
1.00*10-3
Alcohol metílico
0.789
7.74
789
5.60*10-4
Alcohol propílico
0.802
7.87
802
1.92*10-3
Amoniaco
0.826
8.10
826
-----------
Benceno
0.876
8.59
876
6.03*10-4
Tetracloruro de carbono
1.590
15.60
1 590
9.10*10-4
Aceite de ricino
0.960
9.42
960
6.51*10-1
Etilenglicol
1.100
10.49
1 100
1.62*10-2
Gasolina
0.680
6.67
680
2.87*10-4
Glicerina
1.258
12.34
1 258
9.60*10-1
Queroseno
0.823
8.07
823
1.64*10-3
Aceite de linaza
0.930
9.12
930
3.31*10-2
Mercurio
13.54
132.8
13 540
1.53*10-3
Propano
0.495
4.86
495
1.10*10-4
Agua de mar
1.030
10.10
1 030
1.03*10-3
Trementina
0.870
8.53
870
1.37*10-3
Aceite de petróleo, medio
0.582
8.36
582
2.99*10-3
Aceite de petróleo, pesado
0.906
8.89
906
1.07*10-1
Líquido
106
Flujo en Tuberías
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C. Dimensiones de tuberías de acero Tabla C.1. Calibre 40 Tamaño nominal de la tubería 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 24
Diámetro Exterior (mm) 10.3 13.7 17.1 21.3 26.7 33.4 42.2 48.3 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 141.3 168.3 219.1 273.1 323.9 355.6 406.4 457.2 508.0 609.6
Grosor de la pared (mm) 1.73 2.24 2.31 2.77 2.87 3.38 3.56 3.68 3.91 5.16 5.49 5.74 6.02 6.55 7.11 8.18 9.27 10.31 11.10 12.70 14.27 15.06 17.45
Diámetro Interior (mm)
Área de Flujo (m2)
6.8 9.2 12.5 15.8 20.9 26.6 35.1 40.9 52.5 62.7 77.9 90.1 102.3 128.2 154.1 202.7 254.5 303.2 333.4 381.0 428.7 477.9 574.7
3.660*10-5 6.717*10-5 1.236*10-4 1.960*10-4 3.437*10-4 5.574*10-4 9.653*10-4 1.314*10-3 2.168*10-3 3.090*10-3 4.768*10-3 6.381*10-3 8.213*10-3 1.291*10-2 1.864*10-2 3.226*10-2 5.090*10-2 7.219*10-2 8.729*10-2 0.1140 0.1443 0.1794 0.2594
107
Flujo en Tuberías
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Tabla C.2. Calibre 80 Tamaño nominal de la tubería 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 24
108
Diámetro Exterior (mm) 10.3 13.7 17.1 21.3 26.7 33.4 42.2 48.3 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 141.3 168.3 219.1 273.1 323.9 355.6 406.4 457.2 508.0 609.6
Grosor de la pared (mm) 2.41 3.02 3.20 3.73 3.91 4.55 4.85 5.08 5.54 7.01 7.62 8.08 8.56 9.53 10.97 12.70 15.06 17.45 19.05 21.39 23.80 26.19 30.94
Diámetro Interior (mm)
Área de Flujo (m2)
5.5 7.7 10.7 13.9 18.8 24.3 32.5 38.1 49.3 59.0 73.7 85.4 97.2 122.3 146.3 193.7 242.9 289.0 317.5 363.6 409.6 455.6 457.7
2.350*10-5 4.617*10-5 9.067*10-5 1.510*10-4 2.787*10-4 4.636*10-4 8.278*10-4 1.140*10-3 1.905*10-3 2.735*10-3 4.264*10-3 5.736*10-3 7.419*10-3 1.173*10-2 1.682*10-2 2.949*10-2 4.632*10-2 6.555*10-2 7.916*10-2 0.1038 0.1317 0.1630 0.2344
Flujo en Tuberías
Luis Emilio Pardo Aluma
Tabla C.3. Estándar Tamaño nominal de la tubería 1/8
Diámetro Exterior (mm) 3.18
3/16
4.76
1/4
6.35
5/16
7.94
3/8
9.53
1/2
12.70
5/8
15.88
¾
19.05
7/8
22.23
1
25.40
1 1/4
31.75
1 1/2
38.10
1 3/4
44.45
2
50.80
Grosor de la pared (mm) 0.813 0.889 0.813 0.889 0.889 1.24 0.889 1.24 0.889 1.24 1.24 1.65 1.24 1.65 1.24 1.65 1.24 1.65 1.65 2.11 1.65 2.11 1.65 2.11 1.65 2.11 1.65 2.11
Diámetro Interior (mm)
Área de Flujo (m2)
1.529 1.397 3.137 2.985 4.572 3.861 6.160 5.448 7.747 7.036 10.21 9.40 13.39. 12.57 16.56 15.75 19.74 18.92 22.10 21.18 28.45 27.53 34.80 33.88 41.15 40.23 47.50 46.58
1.885*10-6 1.533*10-6 7.728*10-6 6.996*10-6 1.642*10-5 1.171*10-5 2.980*10-5 2.331*10-5 4.714*10-5 3.888*10-5 8.189*10-5 6.937*10-5 1.407*10-4 1.242*10-4 2.154*10-4 1.948*10-4 3.059*10-4 2.812*10-4 3.835*10-4 3.524*10-4 6.356*10-4 5.954*10-4 9.510*10-4 9.017*10-4 1.330*10-3 1.271*10-3 1.772*10-3 1.704*10-3
109
Flujo en Tuberías
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D. Dimensiones de las tuberías de cobre tipo K Tamaño nominal de la tubería 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4 5 6 8 10 12
110
Diámetro Exterior (mm) 6.35 9.53 12.70 15.88 19.05 22.23 28.58 34.93 41.28 53.98 66.68 79.38 92.08 104.8 130.2 155.6 206.4 257.2 308.0
Grosor de la pared (mm) 0.889 1.245 1.245 1.245 1.245 1.651 1.651 1.651 1.829 2.108 2.413 2.769 3.048 3.404 4.064 4.877 6.883 8.585 10.287
Diámetro Interior (mm)
Área de Flujo (m2)
4.572 7.036 10.21 13.39 16.56 18.92 25.27 31.62 37.62 49.76 61.85 73.84 85.98 97.97 122.0 145.8 192.6 240.0 287.4
1.642*10-5 3.888*10-5 8.189*10-5 1.407*10-4 2.154*10-4 2.812*10-4 5.017*10-4 7.854*10-4 1.111*10-3 1.945*10-3 3.004*10-3 4.282*10-3 5.806*10-3 7.538*10-3 1.170*10-2 1.670*10-2 2.914*10-2 4.524*10-2 6.487*10-2
Flujo en Tuberías
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E. Dimensiones de las tuberías de PVC. Tabla E.1 TUBERÍA PVC Presión PAVCO RDE 13.5 PVC Tipo 1 grado 1 Presión de trabajo a 23°C: 315PSI – 22.14 kgf/cm2
RDE 21 PVC Tipo 1, Grado 1 Presión de trabajo a 23°C: 200PSI – 14.06 kgf/cm2
Diámetro Nominal mm Pulg.
Peso g/m
Diámetro Exterior mm Pulg.
Espesor de Pared mm Pulg.
21
½
157
21.34
0.840
1.575 0.062
33
1
364
33.40
1.315
2.464 0.097
26 33 42 48 60 73 88 14
¾ 1 1¼ 1½ 2 2½ 3 4
189 252 395 514 811 1 185 1 761 2 904
26.67 33.40 42.16 48.26 60.33 73.03 88.90 114.30
1.050 1.315 1.660 1.900 2.375 2.875 3.500 4.500
1.524 1.600 2.007 2.286 2.870 3.480 4.242 5.436
0.060 0.063 0.079 0.090 0.113 0.137 0.167 0.214
Tabla E.2 TUBERÍA PVC Unión Z PAVCO
RDE 21 PVC Tipo 1, grado 1 Presión de trabajo a 23°C: 1.38 Mpa 200 psi – 14.06 Kgf/cm2
RDE 26 PVC Tipo 1, grado 1 Presión de trabajo a 23°C: 1.10 Mpa 160 psi – 11.25 Kgf/cm2
Diámetro Nominal Mm Pulg.
Peso g/m
Diámetro Exterior mm Pulg.
Espesor de Pared mm Pulg.
60
2
811
60.32
2.375
2.87
0.113
73
2½
1 185
73.03
2.875
3.48
0.137
88
3
1 761
88.90
3.500
4.24
0.167
114
4
2 904
114.30
4.500
5.44
0.214
168
6
6 314
168.28
6.625
8.03
0.316
219
8
10 672
219.03
8.623
10.41 0.409
273
10
16 632
273.05
10.750
12.98 0.511
323
12
23 453
323.85
12.750
15.39 0.605
60
2
655
60.32
2.375
2.31
0.091
73
2½
964
73.03
2.875
2.79
0.110
88
3
1 438
88.90
3.500
3.43
0.135
114
4
2 376
114.30
4.500
4.39
0.173
168
6
5 148
168.28
6.625
6.48
0.255
219
8
8 735
219.03
8.623
8.43
0.331
273
10
13 666
273.05
10.750
10.49 0.412
323
12
19 288
323.85
12.750
12.45 0.490
111
Flujo en Tuberías
Luis Emilio Pardo Aluma
F. Relaciones hidráulicas para tuberías parcialmente llenas en función de q/Q para n/N variable con la altura de lámina Tabla F.1 q/Q
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.0
0.000
0.290
0.344
0.386
0.419
0.445
0.468
0.488
0.506
0.523
v/V
0.000
0.076
0.108
0.131
0.152
0.169
0.186
0.201
0.215
0.228
d/D
0.000
0.195
0.273
0.328
0.375
0.415
0.452
0.485
0.515
0.542
t/T
0.539
0.553
0.567
0.579
0.591
0.602
0.614
0.625
0.636
0.646
v/V
0.241
0.253
0.265
0.276
0.287
0.297
0.307
0.317
0.326
0.335
d/D
0.568
0.592
0.615
0.637
0.658
0.678
0.697
0.715
0.732
0.748
t/T
0.656
0.665
0.674
0.683
0.692
0.700
0.708
0.716
0.724
0.732
v/V
0.344
0.353
0.362
0.370
0.379
0.387
0.395
0.403
0.411
0.418
d/D
0.764
0.779
0.794
0.809
0.822
0.836
0.849
0.862
0.874
0.885
t/T
0.739
0.747
0.754
0.761
0.768
0.775
0.782
0.788
0.795
0.801
v/V
0.426
0.433
0.440
0.448
0.455
0.462
0.469
0.476
0.483
0.490
d/D
0.897
0.908
0.918
0.929
0.939
0.949
0.959
0.968
0.978
0.987
t/T
0.807
0.813
0.819
0.825
0.830
0.836
0.841
0.847
0.852
0.857
v/V
0.497
0.503
0.510
0.517
0.523
0.530
0.537
0.543
0.550
0.556
d/D
0.996
1.004
1.013
1.021
1.029
1.037
1.045
1.052
1.059
1.067
t/T
0.862
0.867
0.872
0.877
0.882
0.887
0.891
0.896
0.900
0.904
v/V
0.563
0.569
0.576
0.582
0.589
0.595
0.602
0.608
0.614
0.621
d/D
1.074
1.080
1.087
1.093
1.100
1.106
1.112
1.118
1.124
1.129
t/T
0.909
0.913
0.917
0.921
0.925
0.929
0.933
0.937
0.941
0.944
v/V
0.627
0.634
0.640
0.646
0.653
0.659
0.666
0.672
0.679
0.686
d/D
1.135
1.140
1.145
1.150
1.155
1.159
1.164
1.168
1.173
1.177
t/T
0.948
0.951
0.955
0.959
0.963
0.967
0.970
0.974
0.977
0.981
v/V
0.692
0.699
0.705
0.712
0.718
0.724
0.731
0.738
0.744
0.751
d/D
1.181
1.184
1.188
1.191
1.194
1.197
1.200
1.202
1.205
1.207
t/T
0.984
0.988
0.991
0.994
0.997
1.000
1.003
1.007
1.012
1.016
v/V
0.758
0.764
0.771
0.778
0.785
0.792
0.800
0.806
0.812
0.818
d/D
1.209
1.211
1.213
1.214
1.215
1.216
1.217
1.217
1.217
1.217
t/T
1.020
1.024
1.028
1.032
1.036
1.040
1.043
1.047
1.050
1.053
v/V
0.825
0.831
0.838
0.845
0.852
0.859
0.866
0.874
0.881
0.890
d/D
1.217
1.216
1.215
1.214
1.213
1.211
1.209
1.206
1.202
1.198
t/T
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
112
q = caudal real
v = velocidad real
d = altura de lámina
t = fuerza tractiva real
Q = capacidad lleno
V = velocidad lleno
D = Diámetro interno
T = fuerza tractiva lleno
Flujo en Tuberías
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G. Valor de la gravedad para varias ciudades Ámsterdam Atenas Bangkok Bruselas Buenos Aires Calcuta Chicago Habana Lisboa Londres Los Ángeles Madrid
9.813 9.800 9.783 9.811 9.797 9.788 9.803 9.788 9.801 9.812 9.796 9.800
m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2
Manila Ciudad de México New York Ottawa Paris Río de Janeiro Roma San Francisco Taiwán Tokio Washington Zurich
9.784 9.779 9.802 9.806 9.809 9.788 9.803 9.800 9.788 9.798 9.801 9.807
m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2 m/s2
Figura G1 Aceleración debida a la gravedad en función de la latitud y altitud
113
Flujo en Tuberías
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H. Propiedades de la atmósfera estándar Tabla H.1.
114
Altitud
Temperatura °K
0
288.2
101.30
1.225
Velocidad del sonido m/s 340
500
284.9
95.43
1.167
338
1 000
281.7
89.85
1.112
336
2 000
275.2
79.48
1.007
333
4 000
262.2
61.64
0.8194
325
6 000
249.2
47.21
0.6602
316
8 000
236.2
36.65
0.5258
308
10 000
223.3
26.49
0.4136
300
12 000
216.7
19.40
0.3119
295
14 000
216.7
14.17
0.2278
295
16 000
216.7
10.35
0.1665
295
Presión kPa
Densidad kg/m3
Flujo en Tuberías
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I. Raíces de ecuaciones algebraicas no lineales1 I.1
Iteración de punto fijo El método de iteración de punto fijo, también denominado método de aproximación sucesiva, requiere volver a escribir la ecuación de la forma f(x) = 0, en la forma: x = g(x) El procedimiento empieza con una estimación inicial de x, que es mejorada por iteración hasta alcanzar la convergencia. Para que ocurra la convergencia, la derivada dg/dx debe ser menor que 1 en magnitud (al menos para los valores x que se encuentren durante las iteraciones). La convergencia será establecida mediante el requisito de que el cambio en x de una iteración a la siguiente no sea mayor en magnitud que una pequeña cantidad ε. El método se describe en el siguiente procedimiento: Procedimiento I.1. Algoritmo para iteración de punto fijo. 1. Se elige un valor inicial x0 y se elige un parámetro de convergencia ε. 2. Se calcula un valor mejorado xmejorado a partir de xmejorado = g(x0) 3. Si | xmejorado - x0 | > ε, x0 se iguala a xmejorado y se vuelve al paso 2; en caso contrario, xmejorado es la raíz aproximada.
Ejemplo I.1
Se desea conocer el factor de fricción en cierta tubería utilizando la ecuación de Colebrook – White: ε / D 1 2.51 = −2 log + 3 . 71 f NR f
En la cual se tienen las siguientes propiedades: ε = 4.6*10-5, NR = 10044.99, D = 0.1463.
Solución:
Primero debemos rescribir la ecuación en la forma f = g(f), así: −2
ε / D 2.51 f = − 2 log + 3.71 N f R Para iniciar la iteración tomamos un valor inicial de f=0.0140, iniciando el proceso que se tabula así:
1
Para mayor información se recomienda consultar el texto: Métodos numéricos aplicados a la ingeniería, Terence J. Akai, Editorial Limusa, México D.F., 1999
115
Flujo en Tuberías
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Iteración 1 2 3 4 5
f Inicial 0.0140 0.0354 0.0308 0.0314 0.0313
f Mejorado 0.0354 0.0308 0.0314 0.0313 0.0313
Diferencia 0.0214 0.0046 0.0006 0.0001 0.0000
Luego el valor buscado es f = 0.0313. Observemos, en este caso en particular, que si obtenemos el valor f inicial a partir de la ecuación de Swamee – Jain tenemos lo siguiente: 0.25 fi = = 0.0315 2 4.6 * 10 −5 5.74 + Log 0.9 3.70 * 0.1463 10 044.99 R Iteración 1 2
f Inicial 0.0315 0.0313
f Mejorado 0.0313 0.0313
Diferencia 0.0002 0.0000
Teniendo así menos iteraciones, por eso se recomienda este último procedimiento para hallar el factor de fricción de la ecuación de Darcy – Weisbach.
116
