TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados cerrados En todos los procesos químicos tienen lugar tratamientos y reacciones que se realizan por etapas en equipos especializados. Para facilitar la continuidad de estos procesos se usan tuberías, tubos y ductos que permiten el transporte de fluidos. Es más barato mover fluidos que sólidos, por consiguiente, consiguiente, siempre que es posible los sólidos se transportan suspendiéndolos en un líquido o en una corriente gaseosa a alta velocidad.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados cerrados Tubería ( pipe pipe): sección transversal circular y diámetro relativamente grande, pared gruesa y generalmente generalmente rugosa, longitud entre 6 y 12 metros, sus tramos se pueden unir por bridas o accesorios soldados, usados para el transporte de líquidos, vapor o gas.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Tubo (tube): sección transversal circular y en general diámetro pequeño, pared delgada y muy lisa, longitud entre 12 y 20 pies (3,66 y 6,10 metros), sus tramos se pueden roscar, usados para el transporte de líquidos o vapor.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Ducto: sección transversal no circular, pared delgada y lisa, usados para el transporte de gases.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Un sistema de tuberías típico incluye tuberías de diferentes diámetros y accesorios para unir las tuberías (uniones), dirigir el flujo (codos), dividir el flujo (tees) o controlar la razón de flujo (válvulas). En el diseño de estos sistemas se pone particular atención a la fricción, que se relaciona directamente con la caída de presión y la pérdida de carga. La caída de presión se usa para determinar la potencia necesaria de bombeo.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Tamaños comerciales de los tubos:
El diámetro y el espesor de la pared son esenciales para poder clasificar los tubos y tuberías. Comercialmente se usa el término “tamaño nominal” para especificar el diámetro, e indica un tamaño aproximado (no es el diámetro externo ni interno). El espesor esta especificado según el “número de cédula”.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Tamaños comerciales de tuberías:
El “número de cédula” está relacionado con la presión de operación (P, N/m2 man., psig) y la resistencia del material (S, N/m2, psi). Número de cédula = 1000 P/S Adquiere valores de: 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160. Los números de cédula 40 y 80 son los mas utilizados en la industria química.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados 0
La velocidad del fluido cambia de cero en la superficie hasta un máximo en el centro de la tubería.
Vmax
Vprom
En el transporte de fluidos es conveniente trabajar con una velocidad promedio, V prom, que permanece constante cuando el área de la sección transversal de la tubería es constante.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Flujo laminar y turbulento:
Número de Reynolds (Re): Fuerzas inerciales Re Fuerzas viscosas
VpromD
VpromD
Flujo laminar: Re ≤ 2300 Flujo transicional: 2300 ≤ Re ≤ 4000 Flujo turbulento: Re ≥ 4000
Ec. (1)
Tuberías no circulares:
Dh
4A c p
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados La mayoría de los flujos que se encuentran en la práctica son turbulentos. El flujo laminar se encuentra cuando los fluidos muy viscosos, como los aceites, fluyen en pequeñas tuberías o pasajes estrechos.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Caída de presión por fricción en tuberías y accesorios En flujo laminar las pérdidas son proporcionales a la velocidad promedio: P
8LVprom R
2
32LVprom D
2
Ec. (2)
En flujo turbulento las pérdidas son proporcionales a la velocidad promedio, elevada a una potencia que varía entre 1,7 y 2,0.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Para todos los tipos de flujo (flujo laminar o turbulento, tuberías circulares o no circulares, superficies lisas o rugosas, tuberías horizontales o inclinadas): Factor de fricción de Darcy*
PL f
Presión dinámica
L Vprom
D
2
2
Ec. (3)
* No se debe confundir con el coeficiente de fricción C f , también llamado factor de fricción
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados En los sistemas de tuberías, las pérdidas de presión comúnmente se expresan en términos de la altura de la columna de fluido equivalente, llamada pérdida de carga hL: hL
L V prom2 f g D 2g PL
Ec. (4)
* Esta relación es válida para tuberías horizontales (sin cambio de altura) de diámetro constante (sin cambio de velocidad al interior de la tubería).
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Caída de presión por fricción en tuberías y accesorios La pérdida de carga representa la altura adicional que el fluido necesita elevarse por medio de una bomba con el fin de superar las pérdidas por fricción en la tubería. La pérdida de carga se produce por la viscosidad y se relaciona directamente con el esfuerzo de corte en la pared del tubo.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Igualando las Ecs. (2) y (3) y despejando f para flujo laminar, totalmente desarrollado: f
64 DVprom
64 Re
Ec. (5)
En flujo laminar el factor de fricción sólo es función del número de Reynolds, mientras que para flujo turbulento es también función de la rugosidad relativa de las paredes de la tubería ( /D).
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados Flujo turbulento: La ecuación de Colebrook:
1 f
/ D 2.51 2.0log 3.7 f Re
Relación explícita aproximada (S.E. Haaland, 1983): 1.11 1 6.9 / D 1.8log f Re 3.7
TRANSPORTE DE FLUIDOS Flujo de fluidos en conductos cerrados El diagrama de Moody:
TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de problemas de flujo de fluidos: 1. Determinación de la caída de presión (o pérdida de carga): cuando la longitud y el diámetro de la tubería se proporcionan para una razón de flujo (o velocidad) específica. 2. Determinación de la razón de flujo: cuando la longitud y el diámetro de la tubería se proporcionan para una caída de presión (o pérdida de carga) específica. 3. Determinación del diámetro de la tubería : cuando la longitud de la tubería y la razón de flujo se proporcionan para una caída de presión (o pérdida de carga) específica.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de problemas de flujo de fluidos: Para evitar tediosas iteraciones en el cálculo de la pérdida de la carga, la razón de flujo y el diámetro de la tubería, Swamee y Jain propusieron en 1976 las siguientes relaciones explícitas que son precisas hasta el 2% del diagrama de Moody.
TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de problemas de flujo de fluidos:
hL
V2L 1.07 5 gD
D 4.62 ln V 3.7D V
10
6
VpromA c
/ D 10
2
8
3000 Re 3 10
0.9
2
TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de problemas de flujo de fluidos:
0.5 2 3.17 L gD hL V 0.965 ln 3 3.7D gD hL L 5
0.5
Re 2000
TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de problemas de flujo de fluidos:
2 LV 1.25 D 0.66 ghL
10
6
4.75
9.4 L V ghL
/ D 10
2
8
5000 Re 3 10
5.2
0.04
