FLUJO ESTACIONARIO FLUJO EN SISTEMAS DE TUBERAS

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Los sistemas de tuberas sirven en general para el trans-porte de fluidos. Cuando el fluido pasa por una tubera, la energa de presin del fluido disminuye debido a la friccin y la energa interna del fluido aumenta. La dismi-nucin de la energa interna se manifiesta como prdida de carga en el fluido.

En el caso de las prdidas que se producen, se distingue entre la friccin interna en el fluido y la friccin entre el fluido y la pared o resistencia.

En relacin con las prdidas, se debaten los siguientes conceptos generales de la mecnica de fluidos:

flujo laminar y turbulento

friccin de tubera debido a materiales y superficies diferentes

prdidas de carga en tuberas y racores de tubos

prdida de carga en vlvulas y robineteras

En la prctica, las superficies de las paredes de las tuberas siempre tienen una cierta rugosidad. La rugosidad de la superficie se crea, por un lado, en el proceso de produc-cin y, por otro, por los depsitos y/o la corrosin durante el funcionamiento. El material de la tubera tiene tambin una influencia decisiva en la rugosidad.

En el flujo laminar, la rugosidad de la tubera tiene muy poca influencia en la prdida de carga porque los fluidos en el rea de la capa lmite poseen velocidades de flujo muy reducidas o en algunos casos no se mueven.

En el flujo turbulento, sin embargo, resulta decisivo si el espesor de la capa lmite laminar se extiende por encima de las irregularidades de la superficie de la tubera k y las cubre. En este caso, se habla de tuberas lisas hidrulicamente y la rugosidad no influye en la prdida de carga. Cuando las rugosidades de la superficie de la tubera se extienden muy por encima de la capa lmite laminar, el efecto de alisado de la capa lmite se pierde. En este caso, se habla de tuberas rugosas hidrulica-mente y la rugosidad tiene una influencia importante en la prdida de carga.

TUBERAS LISAS HIDRULICAMENTE

TUBERAS EN ZONA DE TRANSICIN

TUBERAS RUGOSAS HIDRULICAMENTE

En un flujo laminar A en tuberas, se mueven partculas de fluido en paralelo en capas, sin mezclarse entre s. La distribucin de la velocidad del fluido en la tubera es desigual. En la zona lmite, el fluido es frenado como consecuencia de la friccin de tubera y se mueve ms lento que en el centro de la tubera. La prdida de carga es proporcional a la velocidad media del fluido. En la prctica, es poco comn un flujo laminar totalmente desarrollado.

En el flujo turbulento B, las capas de fluido individuales se arremolinan e intercambian energa. El patrn de flujo generado se caracteriza por movimientos tridimensiona-les, impredecibles y no estacionarios de las partculas fluidas. Solo en la zona lmite de la tubera se mantiene, parcialmente, una capa lmite laminar. La distribucin de la velocidad es casi constante en un amplio rango de la seccin transversal de la tubera. Al contrario que con el flujo laminar, la prdida de carga es proporcional al cuadrado de la velocidad media del fluido.

La capa lmite laminar es lo suficientemente gruesa para cubrir las irregularidades de la superficie de la tubera. El flujo en tuberas turbulento puede fluir sin obstculos.

espesor de la capa lmite laminark altura de las irregularidades

Dependiendo de la condicin de flujo y de la natura-leza de la tubera, en la prctica se suelen producir formas mixtas. Cuando la capa lmite laminar es considerablemente gruesa, pero las irregularidades no estn completamente cubiertas, se habla de tuberas en zona de transicin.

La capa lmite laminar no es lo suficientemente gruesa para cubrir las irregularidades de la superficie de la tubera.

La distincin entre flujo laminar y turbulento se puede determinar con ayuda del nmero de Reynolds Re. El nmero de Reynolds es un nmero caracters-tico adimensional. Hasta un nmero de Reynolds de aprox. 2300, se habla de flujo laminar. A partir de un nmero de Reynolds de 2300, se habla de flujo turbu-lento. Los flujos con el mismo nmero de Reynolds son comparables en su comportamiento.

Re =v d

En las tuberas, el nmero de Reynolds Re se puede calcular a partir del dimetro interno de la tubera d, la velocidad media del fluido v y la viscosidad cinemtica .

flujo turbulento Re 2300

FRICCIN DE TUBERA EN DISTINTOS MATERIALES Y SUPERFICIES

A

B

CONOCIMIENTOS BSICOS

FLUJO EN TUBERAS Y ROBINETERAS

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FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO EN TUBERAS

FLUJO ESTACIONARIO FLUJO EN SISTEMAS DE TUBERAS

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Los sistemas de tuberas estn compuestos por distintos elementos de tuberas con distintas propiedades especficas. Al determinar prdidas de carga, se diferencia entre las prdidas puramente por friccin en los elementos rectos de tuberas y las prdidas adiciona-les en los llamados racores de tubos y otros elementos como, p.ej., vlvulas. Al contrario que en los elementos rectos de tuberas, en los racores de tubos se producen, adems de las prdidas por friccin debido a la rugosidad de la superficie, otras prdidas por separacin y/o flujo secundario.

La prdida de carga en un racor de tubos depende del tipo de cambio en la direccin y se denomina coeficiente de resistencia g. Los coeficientes de resistencia se determinan experimentalmente a travs de una medicin de la presin de la entrada p1 a la salida p2 del racor de tubos y se encuentran en tablas a modo de valores de orientacin. El coeficiente de resistencia indica la diferencia de presin que debe haber entre la entrada y la salida para mantener un caudal determinado a travs de un elemento de tuberas.

Las robineteras de cierre se utilizan para cerrar el caudal en sistemas de tuberas. Como robineteras de cierre se utilizan, en primera lnea, vlvulas, grifos y vlvulas de compuerta. El mecanismo de cierre se implementa de distintos modos dependiendo del tipo del diseo de la robinetera. Cuando el flujo atraviesa las distintas robineteras se producen distintas prdidas de carga segn la geometra y el estado de abertura.

Tambin cuando estn totalmente abiertas se producen prdidas de carga. Esto se debe a los frecuentes cambios marcados en la direccin del flujo dentro de la robinetera. La diferencia de presin puede expre-sarse aqu mediante el coeficiente de resistencia g para el estado abierto.

En las vlvulas de regu-lacin se puede ajustar el caudal gracias al diseo de la vlvula, utilizndose por tanto para regular el caudal. El caudal con el estado de abertura correspondiente se caracteriza por la llamada caracterstica de la vlvula.

Para seleccionar vlvulas, los fabricantes de robinete-ras indican el valor Kvs con un grado de abertura del 100% de la robinetera como coeficiente de caudal. Este coeficiente de caudal es una medida para indicar el caudal mximo posible de un fluido a travs de una robinetera. Con aberturas de la vlvula inferiores al 100%, el coeficiente de caudal se denomina Kv. El valor Kv se encuentra entre 0 y el valor Kvs.

rojo: resistencias individuales Dp13 de una instalacin,verde: resistencia total Dp de la instalacin,azul: caracterstica de la bomba

Dp diferencia de presin,p presin, Q caudal

p presin, Dp diferencia de presin, L longitud de la tubera

p presin, Dp diferencia de presin, 1 flujo secundario

p presin, Dp diferencia de presin, 1 separacin

El diagrama de friccin de tubera indica la dependencia del factor de friccin de tubera m del nmero de Reynolds Re y la rugosidad k

Diferencia de presin en racores de tubos

La diferencia de presin Dp de la entrada a la salida de un racor de tubos se obtiene a partir del coeficiente de resistencia g, la densidad del fluido t el cuadrado de la velocidad media del fluido v.

Diferencia de presin en elementos rectos de tuberas

La diferencia de presin Dp de la entrada a la salida de un elemento recto de tuberas se obtiene del factor de friccin de tubera m, la longitud de la tubera L, la densidad del fluido t y el cuadrado de la velocidad media del fluido v divido por el dimetro interior de la tubera di .

Prdida de carga en el codo de tubera

Prdida de carga en una expansin

Los valores Kv para robineteras se determinan para distintos estados de abertura a travs del caudal Q y la diferencia de presin Dp entre la entrada y salida de la robinetera.

PRDIDAS DE CARGA EN VLVULAS DE REGULACIN

PRDIDAS DE CARGA EN ROBINETERAS DE CIERRE

PRDIDA DE CARGA EN TUBERAS, RACORES DE TUBOS Y ROBINETERAS

Q

p = 12 v2

KvKK = Q

1barp

CONOCIMIENTOS BSICOS

FLUJO EN TUBERAS Y ROBINETERAS

da de carga eno de tubera

p = L v2

did 2

Al sumar todas las prdidas de carga en los distintos elementos de tuberas se obtiene la caracterstica de la insta-lacin del sistema de tuberas. A travs de la caracterstica de la instalacin se obtiene la altura de elevacin necesaria de la bomba en funcin del caudal.

Prdida de carga en el elemento recto de tuberas

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