PERDIDAS DE CARGA POR ACCESORIOS OBJETIVOS 1. -Determinar la perdidas de cargas secundarias en un tramo de tubería 2.- Determinar rugosidades relativas y absolutas en tuberías mediante mediciones experimentales. 3.- Encontrar coeficientes singulares de accesorios hidráulicos INTRODUCCIÓN A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía; tales perdidas traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. Estas perdidas de energía son debido a factores tales como: la fricción interna en el fluido debido a la viscosidad , la presencia de accesorios ( válvulas, reductores, codos, etc.). El calculo de las perdidas de carga en las tuberías es parte de la practica diaria del ingeniero instalador y proyectista , en los sistemas de flujo de petróleo, gas aceites lubricantes, en los sistemas de refrigeración, y aire acondicionado , redes de suministro de agua , en los sistemas de aspiración e impulsión de las bombas ,etc.
Pérdidas de carga Cuando un fluido fluye por una tubería, u otro dispositivo, tienen lugar pérdidas de energía debido a factores tales como:
la fricción interna en el fluido debido a la viscosidad, la presencia de accesorios. •La fricción en el fluido en movimiento es un componente importante de la pérdida de energía en un conducto. Es proporcional a la energía cinética del flujo y a la relación longitud/diámetro del conducto. •En la mayor parte de los sistemas de flujo, la pérdida de energía primaria se debe a la fricción de conducto. Los demás tipos de pérdidas son por lo general comparativamente pequeñas, por ello estas pérdidas suelen ser consideradas como “pérdidas menores”. Estas ocurren cuando hay dispositivos que interfieren el flujo: valvulas, reductores, codos, etc.
PÉRDIDAS PRIMARIAS Son las perdidas de superficie en el contacto del fluido con
•
la tubería (capa limite) , rozamiento de algunas capas de fluido con otras (régimen laminar)
o de las partículas del fluido entre si (régimen
turbulento) . •
Tienen lugar en flujo uniforme , por tanto en los tramos de tuberías de sección constante.
V.C.
1
V1, u1
2
ρ, p1 D ,z1
V2, u2 , p2 D
ρ
,z2
PÉRDIDAS SECUNDARIAS Son las perdidas de forma que tienen lugar en los cambios de sección
y
dirección de la corriente, en las secciones de ensanchamiento , codos ,diafragmas, válvulas ,en general en todo tipo de accesorios de tuberías . Estos elementos producen una perturbación de la corriente que originan remolinos y desprendimientos que intensifican las perdidas .
hA
Bomba
Válvula
hL
hR Turbina
Codo hL
Si la conducción es larga (oleoductos, gasoductos) las perdidas secundarias tiene poca importancia (de ahí el nombre de perdidas secundarias), pudiendo a veces despreciarse; o bien se tienen en cuenta al final sumando un 5 a 10 por ciento de las perdidas principales halladas.
Si la conducción es corta y complicada ( flujo de gasolina y de aire en un carburador , etc) las perdidas secundarias juegan un papel preponderante, pudiendo incluso despreciarse las perdidas primarias en comparación con las perdidas secundarias.
Flujo de fluidos en tuberías Flujo de fluidos
Tipos de flujo
Flujo externo
Pérdidas de carga
Flujo interno tuberías
laminar
Reynolds
< 2100>
Flujo en tuberías Situaciones de cálculo
por fricción •Coeficiente de fricción •No. de Reynolds •Rugosidad relativa •Ec. Darcy
¿caída de presión? ¿diámet ro mínimo?
turbulento en accesorios
¿Caudal?
Flujo de fluidos en tuberías Flujo de fluidos ECUACIÓN DE ENERGÍA Pérdidas de carga
Tipos de flujo 2
Flujo externo p V 2
ρ
+
2 2
2
hT
Pérdidas de carga
Turbina
hP
¿caída de presión?
por fricción
Flujo interno
+ gZ 2
•Coeficiente de fricción •No. de Reynolds hb •Rugosidad relativa 1 •Ec. Darcy
tuberías
laminar
Flujo en tuberías Situaciones de cálculo
¿diámet ro mínimo?
p1 V12 p V2 + + gZ1 + ghB = 2 + 2 + gZ 2 + ghT + ghP ρ 2 ρ 2
turbulento
Reynolds
Flujo
< 2100>
p V en accesorios + + gZ
Bomba
1
ρ
¿Caudal?
2 1
2
1
Ecuación de energía: La energía perdida es la suma de:
p1 V12 p V2 + + gZ1 + ghB = 2 + 2 + gZ 2 + ghT + ghP ρ 2 ρ 2
hp = hf + ha
Pérdidas de carga por fricción
V1, u1
V.C.
1
ρ, p1 D ,z1
dQ dm
2
V2, u2 , p2 D
ρ
,z2
Si consideramos un flujo permanente e incompresible en una tubería horizontal de diámetro uniforme, la ecuación de energía aplicada al V.C. Puede disponerse en la siguiente forma:
0
0 p1 − p2 V12 − V22 dQ + + g ( z1 − z 2 ) = (u2 − u1 ) − ρ 2 dm
Pérdidas de carga en accesorios Coeficiente K
Longitud Equiva lente
Equivalenc ia entre ambos métodos
Ecuación de Darcy Las variables influyentes que intervienen en el proceso son: ∆p caída de presión
Estas variables pueden ser agrupadas en los siguientes parámetros adimensionales:
V velocidad media de flujo ρ densidad del fluido µ viscosidad del fluido
ρVD l e ∆p = F 2 µ ,D,D ρV
D diámetro interno del conducto L longitud del tramo considerado e rugosidad de la tubería
∆p l ρVD e = f , 2 ρV D µ D
hf
l V2 =f D 2
(J/kg)
o
hf = f
l V2 D 2g
(m)
Coeficiente de fricción
f = f(Re,ε) No. de Reynolds Re =
Rugosidad relativa
ρVD µ
ε=
Flujo laminar
64 f = Re
e D
Flujo turbulento Ecuación de Colebrook
Moody 1 1 2.51 = −2 log + f 3.7ε Re f
Diagrama de Moody
Diagrama de Moody
.034
Re= 30000
Tipo de singularidad
K
Válvula de compuerta totalmente abierta
0,2
Válvula de compuerta mitad abierta
5,6
Curva de 90º
1,0
Curva de 45º
0,4
Válvula de pie
2,5
Emboque (entrada en una tubería)
0,5
Salida de una tubería
1,0
Ensanchamiento brusco Reducción brusca
(1-(D1/D2)2)2 de
(Contracción)
sección
0,5(1-(D1/D2)2)2
ACCESORIOS DE TUBERÍAS Accesorios Los accesorios se utilizan en las conducciones de las tuberías en donde estas pueden sufrir un cambio de dirección, estrechamientos, ensanchamientos, ramificaciones; en fin, todo lo que sea necesario para el proceso. Existen accesorios muy diversos cuyos diámetros y roscas coinciden con los nominales de las tuberías comerciales pudiendo ser estas macho o hembra. Existen combinaciones de accesorios en los que el cambio de dirección , estrechamiento, ensanchamiento, ramificación , etc. están presentes e inclusive hay acoplamientos y uniones los cuales no ofrecen un cambio en la resistencia del flujo. Es importante mencionar también que las tuberías están sometidas a variaciones de temperatura lo que lleva a que el material se dilate y se requieran utilizar juntas de expansión con empaquetadura, fuelles o manguitos de metal flexible.
TIPOS.
Entre los tipos de accesorios mas comunes se puede mencionar: •
Bridas
•
Codos
•
Tes
•
Reducciones
•
Cuellos o acoples
•
Válvulas
•
Empacaduras
•
niples
CARACTERÍSTICAS Entre las características se encuentran: Diámetros. Es la medida de un accesorio o diámetro nominal mediante el cual se identifica al mismo y depende de las especificaciones técnicas exigidas. Resistencia. Es la capacidad de tensión en libras o en kilogramos que puede aportar
un
determinado
accesorio
en
plena
operatividad.
Aleación. Es el material o conjunto de materiales del cual esta hecho un accesorio
de
tubería.
Espesor. Es el grosor que posee la pared del accesorio de acuerdo a las normas y especificaciones establecidas. VÁLVULAS Dispositivo mecánico empleado para controlar el flujo de un gas o un líquido. El tamaño de estos mecanismos va desde: •
Baja presión suelen ser de: latón, hierro fundido o plástico.
•
Alta presión son de: acero fundido o forjado.
•
En el caso de que el fluido sea corrosivo puede ser necesario emplear aleaciones, como acero inoxidable.
Válvula de control.
La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. Partes de la válvula de control. •
Actuador
•
Cuerpo de la válvula
CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL Dependiendo del diseño del cuerpo y del movimiento del obturador. a.
Válvulas de movimientosb. Válvulas de movimiento o lineal o recíproco
vástago
rotatorio
Son aquellas en las cuales elEl obturador presenta un movimiento obturador
se
mueve
en
dirección de su propio eje.
lacircular,
dentro
de
esta
tenemos.
1. Válvula de globo
1. Válvula de mariposa
2. Válvula en ángulo
2. Válvula de bola
3. Válvula de compuerta
3. Válvula de Check
4. Válvula en Y 5. Válvula de cuerpo partido
clasificación
6. Válvula Saunders 7. Válvula de tres vías 8. Válvula de jaula
Válvula de globo •
El cierre se logra por medio de un disco o tapón que cierra o corta el paso del fluido.
•
Pueden ser operadas continuamente.
•
Están construidas de tal modo que cuando el flujo pasa, produce un cambio en la dirección
e incrementa su resistencia de forma gradual
según la posición del cierre. •
Para diámetros mayores de 300 mm, estas válvulas son poco usadas, debido al gran esfuerzo que se requiere para operarlas.
PÉRDIDAS:
VÁLVULA EN ÁNGULO Esta válvula permite obtener un flujo de caudal sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable, debido a las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión.
Válvula de compuerta Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Es ideal para: •
El control todo-nada ya que en posiciones intermedias
tiende a
bloquearse. •
Para uso poco frecuente.
•
Para resistencia mínima a la circulación.
•
Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Válvula en Y -
Es adecuada como válvula de cierre y de control.
-
Como válvula todo-nada se caracteriza por presentar baja pérdida de carga y como válvula de control una gran capacidad de caudal.
-
Válvula de check También llamadas de retención o de no retorno, tienen el fin de evitar la descarga del agua en dirección a la bomba, esto evita daños por la rotación inversa de la bomba, además de impedir el vaciado de la tubería permitiendo
que la puesta en marcha del sistema sea más rápida y segura. Esta válvula actúa automáticamente por la acción de las presiones en los dos sentidos posibilitando el cierre y apertura. No requiere mantenimiento, solamente chequear ocasionalmente si se traba.
Válvula de mariposa -
El cuerpo está formado por un anillo dentro del cual gira transversalmente un disco circular. Se fabrican
en
gran
variedad
de
modelos,
materiales y en diámetros mayores a 50 mm. -
Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.
Ventaja: Permiten manipulaciones constantes con mínimo desgaste, permiten utilizarla como reguladoras de flujo, ligera de peso, compacta, bajo costo, requiere poco
mantenimiento, numero mínimo de piezas móviles, no tiene
bolas o cavidades, se limpia por si sola. Desventajas: alta torsión para accionarla, capacidad limitada para caída de presión, propensa a la cavitación.
Válvula de bola -
Se emplea principalmente en el control de fluidos negros, o con gran porcentaje de sólidos en suspensión.
•
Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto
Recomendada para •
Para
servicio
de
conducción
y
corte,
sin
estrangulación. •
Cuando se requiere apertura rápida.
•
Para temperaturas moderadas.
•
Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
Aplicaciones •
Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas.
BRIDAS Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión
se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado
TIPOS Brida con cuello para soldar es utilizada con el fin de minimizar el numero de soldaduras en pequeñas piezas a la vez que contribuya a contrarrestar la corrosión en la junta. Brida
con
boquilla
para
soldar.
Brida deslizante es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier extremo del tubo antes de ser soldada y se encuentra en el mercado con cara plana, cara levantada, borde y ranura, macho y hembra y de orificio requiere soldadura
por
ambos
lados.
Brida roscada. pueden ser instaladas sin necesidad de soldadura y se utilizan en líneas con fluidos con temperaturas moderadas, baja presión y poca corrosión, no es adecuada para servicios que impliquen fatigas térmicas
CODOS •
Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujos de tuberías. TIPOS. Los codos estándar son aquellos que vienen listos para la pre-
fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una sola pieza con características especificas y son: •
Codos estándar de 45°
•
Codos estándar de 90°
•
Codos estándar de 180°
TES Son accesorios que se fabrican de diferentes tipos de materiales, aleaciones, diámetros y schedulle y se utiliza para efectuar fabricación en líneas de tubería. TIPOS. Diámetros iguales o te de recta. Reductora con dos orificios de igual diámetro y uno desigual. CARACTERÍSTICAS. •
Diámetro. Las tes existen en diámetros desde ¼'' " hasta 72'' " en el tipo Fabricación.
•
Aleación. Las mas usadas en la fabricación son: acero al carbono, acero inoxidable, galvanizado, etc.
REDUCCIONES Son accesorios de forma cónica, fabricadas de diversos materiales y aleaciones. Se utilizan para disminuir el volumen del fluido a través de las líneas de tuberías.
TIPOS. Estándar concéntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza para disminuir el caudal del fluido aumentando su velocidad, manteniendo su eje. Estándar excéntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza para disminuir el caudal del fluido en la línea aumentando su velocidad perdiendo su eje. CONEXIONES DE TUBERIAS Y ACCESORIOS
***** 0 ******
ECUACIÓN DE ENERGÍA - PÉRDIDAS DE CARGA
2
hT Turbina
hP
p 2 V22 + + gZ 2 ρ 2
p1 V12 p V2 + + gZ1 + ghB = 2 + 2 + gZ 2 + ghT + gh p ρ 2 ρ 2
hb
Flujo
Bomba
1
p1 V12 + + gZ 1 ρ 2
Ecuación de energía: p1 V12 p V2 + + gZ 1 + ghB = 2 + 2 + gZ 2 + ghT + ghP ρ 2 ρ 2
La energía perdida es la suma de: hp = hf + ha Pérdidas de carga por fricción
V1, u1
1
ρ, p1 D ,z1
V.C.
2
dQ dm
V2, u2 , p2 D
ρ
,z2
Si consideramos un flujo permanente e incompresible en una tubería horizontal de diámetro uniforme, la ecuación de energía aplicada al V.C. Puede disponerse en la siguiente forma:
0 p1 − p2 V12 − V22 0 dQ + + g ( z1 − z 2 ) = (u2 − u1 ) − ρ 2 dm Pérdidas de carga por fricción Como: la sección del tubo es constante y su posición es horizontal; se tiene: ∆p
ρ
= ∆u −
dQ dm
Los dos términos del segundo miembro de esta ecuación se agrupan en un solo término denominado pérdidas de carga pro fricción. h f = ∆u −
dQ ∆p ⇒ = hf dm ρ
Ecuación de Darcy Las variables influyentes que intervienen en el proceso son: ∆p caída de presión V velocidad media de flujo
Estas variables pueden ser agrupadas en los siguientes parámetros adimensionales:
ρ densidad del fluido µ viscosidad del fluido D diámetro interno del conducto L longitud del tramo considerado e rugosidad de la tubería
ρVD l e ∆p = F µ ,D,D ρV 2 ∆p l = 2 ρV D
hf
l V2 =f D 2
(J/kg) o
hf = f
l V2 D 2g
ρVD e f , µ D
(m)
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
f = f(Re,ε) No. de Reynolds Re =
Rugosidad relativa
ρVD µ
ε=
Flujo laminar
f =
64 Re
Diagrama de Moody
e D
Flujo turbulento Ecuación de Colebrook
Moody
1 1 2.51 = −2 log + f 3.7ε Re f
DIAGRAMA DE MODY
.034
Re= 30000
Pérdida de carga en accesorios
Coeficiente K ha = k
V2 2
Longitud Equivalente 2 L V ha = f e D 2
Equivalencia entre ambos métodos L k = f e D
Diagrama de Moody
