Flujo en Conductos Nuestro

8/8/2019 Flujo en Conductos Nuestro

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FLUJO EN CONDUCTOSFLUJO EN CONDUCTOS

Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos

UPCT

Instalaciones de fluidos

Manuel Martnez-Tafalla Lpez

Guillermo Martnez Martnez


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IntroduccinIntroduccin

En lo relativo al diseo de tuberas es necesario tener encuenta varios factores entre los que se pueden destacar:

Tipo de flujo

Clculos de parmetros de diseo Finalidad

Temperatura

Presin

Efectos de expansin

Materiales Accesorios de tuberas

Etc.


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Flujo en conductosFlujo en conductos

Flujo laminarPredominan las fuerzas viscosas

El movimiento es ordenado

No hay fluctuaciones en los valores de las magnitudes, queslo dependen de la posicin y del tiempo

Flujo turbulentoPredominantes las fuerzas de inercia

El flujo es agitado y fluctuante

Los valores son fluctuantes entorno a un valor medio

La relacin entre fuerzas de inercia y viscosas, es el nmero deReynolds:Re > 2300 flujo turbulento

Re < 2300 flujo laminar

DU=Re


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Esfuerzos turbulentos de ReynoldsEsfuerzos turbulentos de Reynolds

Se consideran las variables turbulentas, como suma de un

valor medio y de su correspondiente fluctuacin temporal:

Se define como una medida de la turbulencia, el valor cuadrticomedio de la fluctuacin turbulenta

Intensidad de

turbulencia


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Modelos de turbulenciaModelos de turbulencia

Ecuaciones de continuidad y de Navier-Stokes


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VISCOSIDAD TURBULENTA DE BOUSSINEQ:

Se define la viscosidad turbulenta, como una propiedad del flujo,que relaciona el esfuerzo turbulento con el correspondiente gradientede velocidad:

LONGITUD DE MEZCLA DE PRANDTL

Se define la longitud de mezcla de Prandtl (L), como el recorrido libremedio de una partcula en los torbellinos turbulentos, sin que choque

con otra partcula; con lo que las fluctuaciones de velocidad puedenexpresarse por: uvL(u/y); siendo la viscosidad turbulenta :


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VISCOSIDAD TURBULENTA DE BOUSSINEQ:

Se define la viscosidad turbulenta, como una propiedad del flujo,que relaciona el esfuerzo turbulento con el correspondiente gradientede velocidad:

LONGITUD DE MEZCLA DE PRANDTL

Von Karman, estableci la proporcionalidad entre la longitud demezcla de Prandtl (L), y la posicin (y) en la capa lmite


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Prdida de carga en conductosPrdida de carga en conductos

Ec. de Darcy-Weisbach

Se define perdida de carga, como la energa disipada por unidad depeso; y se obtiene a partir de la tensin de rozamiento en la pared

Rgimen laminar

Podemos obtener la solucin analtica, quepara el caso de la velocidad parablica es

La tensin en la pared


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Prdida de carga en conductosPrdida de carga en conductos

Ec. de Darcy-Weisbach

Se define perdida de carga, como la energa disipada por unidad depeso; y se obtiene a partir de la tensin de rozamiento en la pared

Rgimen turbulento

Por analisis dimensional, se obtiene el factorde friccin de Darcy (adimensionaliza la tensin

de rozamiento en la pared)

La prdida de carga queda

Tubera

lisaRe >> 2300

Ec. de Colebrook y White (aplicable

en todo el rgimen turbulento)


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Clculo de tuberasClculo de tuberas Clculo de la prdida de carga (h

p)

Nmero de Reynolds

FLUJO LAMINAR (Re2300)

Clculo del caudal (Q) FLUJO LAMINAR

FLUJO TURBULENTO


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Clculo de tuberasClculo de tuberas Clculo del dimetro

FLUJO LAMINAR (Re2300)

Dos ecuaciones, con dosincgnitas f y D

resolucin simultanea pormtodos iterativos


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Procedimiento de diseo de tuberasProcedimiento de diseo de tuberas

Para disear una red de tuberas es necesario seguir lossiguientes pasos:

Establecimiento de las condiciones de diseo (T, presin)

Determinacin del dimetro de la tubera

Seleccin de los materiales (con base en corrosin y resistencia)

Seleccin de las clases de bridas y vlvulas Clculo del espesor mnimo de pared

Establecimiento de una configuracin de soportes

Anlisis de esfuerzos por flexibilidad


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Normas de diseoNormas de diseo

Las normas ms utilizadas son las del American Estndar

Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME

B31.1. (1989) Power Piping

B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

B31.4 (1989) Liquid Transportation System for Hydrocarbons,

Petroleum Gas, Andhydroys Anmonia and Alcohols

B31.5 (1987) Refrigeration Piping

B31.8 (1989) Gas Transmisin and Distribution Piping System

B31.9 (1988) Building Services Piping

B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping System


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Cargas de diseo para tuberasCargas de diseo para tuberas

A continuacin se resumen las posibles cargas tpicas que debenconsiderarse en el diseo de tuberas:

Cargas por la presin de diseo: Es la carga debido a la presinen la condicin ms severa

Cargas por peso

Peso muerto incluyendo tubera, accesorios, aislamiento, etc. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso

Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinmicas

Cargas por efecto del viento

Cargas ssmicas (para reas con probabilidad de movimientosssmicos)

Cargas por impacto u ondas de presin (golpe de ariete)

Vibraciones (pulsaciones de presin, variacin de lascaractersticas del fluido, resonancia)


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Temperatura de diseoTemperatura de diseo

Temperatura

Tuberas con aislamiento externo mxima temperatura de diseo del

fluido contenido.

Tubera sin aislamiento externo y sin

revestimiento interno (T >0C)

mxima temperatura de diseo del

fluido reducida, segn los porcentajes

de la tabla siguiente:

Temperaturas de fluidos < (0C) temperatura de diseo del fluido

contenido

Tuberas aisladas internamente

La temperatura ser especificada o

ser calculada usando la temperatura

ambiental mxima sin viento

(velocidad cero)


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Presin de diseoPresin de diseo

PresinNo ser menor que la presin a las condiciones ms severas depresin y temperatura coincidentes, externa o internamente, que seespere en operacin normal.

En las redes de abastecimiento a viviendas, es conveniente que lapresin est comprendida entre los 25 y los 40 m.c.a.

La presin mnima necesaria en cada acometida a pie de parcelaviene dada por la siguiente expresin:

Donde:

Pmin = Presin mnima necesaria en m.c.a.

H = Altura en m., de la cornisa de la edificacin

No es conveniente superar en las redes los 60m.c.a. ya queocasionan problemas como ruidos, fugas y roturas .

m.c.a.10H2.1Pmn

!


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Espesor de la paredEspesor de la pared

El mnimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presininterna o externa es una funcin de:

El esfuerzo permisible para el material del tubo

Presin de diseo

Dimetro de diseo del tubo

Dimetro de la corrosin y/o erosin La longitud del tubo, pues sta influye en la resistencia al colapsodel tubo.


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Tipos de materialesTipos de materiales

El plomo era comn en las antiguasconstrucciones.

A finales del s.XIX se sustituy por las tuberasde agua hechas de hierro galvanizado.

El cobre, utilizado desde 1900, se populariz en1950.

Los abastecimientos de tuberas plsticas sonlos ms comunes desde cerca del 1970, con

una variedad de materiales y accesoriosempleados.


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AceroAcero Los suministros de tuberas de acero galvanizado se encuentran

comnmente con los dimetros interiores a partir de 0.5 " a 2 ",aunque los sistemas de la mayora de los hogares unifamiliares norequerirn ninguna tubera ms grande de 3/4".

Los tubos tienen National Pipe Thread (NPT) es un standard derosca masculina, que conectan con los hilos de rosca femeninos en

codos, tes, adaptadores, vlvulas, y otros accesorios. El acero galvanizado es costoso, difcil para trabajar debido al peso

y al requisito de la National Pipe Threader, y sufre de una tendenciaa la obstruccin.

Es extremadamente duradero.

La tubera de acero ennegrecido laqueado es el material msampliamente utilizado en tuberas para los sistema de regaderascontra incendios.


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CobreCobre

El grosor comn de las tuberas de cobre las clasifica en tres tipos: tipo K(ms grueso, tuberas subterrneas)

tipo L(abastecimiento y presin de aguas en residenciales)

tipo M(barato, paredes delgadas, uso para condensado)

En el mercado de la plomera el tamao de la tubera de cobre es

medido por su dimetro nominal (dimetro interior medio),aunquealgunos negocios usan el dimetro exterior (OD). El OD del tubo decobre es siempre 1/8 pulgada ms grande que su tamao nominal.

Generalmente, los tubos de cobre se sueldan directamente en losaccesorios de cobre o de latn, aunque la compresin o losaccesorios de la flama tambin se utilizan.

Algunos estudios han demostrado la aparicin significativa desanguijuelas de plomo en la corriente de agua potable


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CobreCobre Caractersticas yCaractersticas y

VentajasVentajas

Fabricada sin costura

Continuidad de flujo por su pared lisa

Resistencia a las presiones internas detrabajo

Resistencia a la corrosin

Fabricado en temple rgido y flexible

Fcil de unir


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PlsticosPlsticos

La tubera plstica es ampliamente usada para el abastecimiento y drenajedomstico de agua, basura, y tubera de respiradero (DWV). Algunosejemplos para sistemas de abastecimiento de aguas son:

PVC/CPVC - tuberas plsticas rgidas similares a los tubos de desage perocon paredes ms gruesas para ocuparse de la presin municipal del agua,

introducida alrededor del 1970. El PVC se debe utilizar para el agua frasolamente, o respiradero, CPVC se puede utilizar para el abastecimiento deagua potable caliente y fra. Las conexiones se hacen con imprimaciones ycemento del solvente segn los requisitos del cdigo.

PBT - (generalmente gris o azul) tubera plstica flexible que se une a losaccesorios armados y se asegura en el lugar con un anillo de cobre en laencrespadura. Se usa para localizaciones expuestas por ejemplo lascanalizaciones verticales.

PEX - similar al polietileno. Los accesorios se unen mecnicamente (seemplean lengetas y accesorios prensados de acero o cobre)

Polytanks - cisternas plsticas del polietileno, tanques de aguasubterrneos,son hechas de polietileno lineal conveniente como tanque dealmacenaje de agua potable, disponible en blanco, negro o verde.

Aqua - conocido como PEX-Al-PEX, por su composicin


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HormignHormign

Pueden ser de tres tipos: Hormign armado

Hormign en masa

Hormign pretensado Caractersticas:

Las tuberas de hormign armado son las msusadas y se comportan excelentemente al agua delluvia y residuales

Soportan grandes presiones

Son muy econmicas

Tienen gran resistencia mecnica


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas

Es el conjunto de piezas moldeadas o mecanizadas queunidas a los tubos mediante un procedimientodeterminado forman las lneas estructurales de tuberasde una planta de proceso.

Entre los accesorios ms comunes destacan: Bridas

Codos

Tes

Reducciones

Vlvulas

Empacaduras

Tornillos y niples

Tapones


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas

Entre las caractersticas se encuentran: tipo, tamao,aleacin, resistencia, espesor y dimensin. Dimetros. Es la medida de un accesorio o dimetro nominal

mediante el cual se identifica al mismo y depende de las

especificaciones tcnicas exigidas. Resistencia. Es la capacidad de tensin en libras o en

kilogramos que puede aportar un determinado accesorio enplena operatividad.

Aleacin. Es el material o conjunto de materiales del cual estahecho un accesorio de tubera.

Espesor. Es el grosor que posee la pared del accesorio deacuerdo a las normas y especificaciones establecidas


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas -- BridasBridas

Son accesorios para conectar tuberas con equipos (Bombas,intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos,vlvulas, etc.). La unin se hace por medio de dos bridas, en la cual una deellas pertenece a la tubera y la otra al equipo o accesorio a ser conectado.

La ventajas de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estarunidas por esprragos, permite el rpido montaje y desmontaje a objeto de

realizar reparaciones o mantenimiento. Hay muchos tipos de bridas entre los que destacan:

Brida con cuello

Brida con boquilla

Brida deslizante

Brida roscada.

Brida loca con tubo rebordeado.

Brida ciega. Brida orificio.

Brida de cuello largo

Brida embutible.

Brida de reduccin


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas -- CodosCodos

Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la direccin delflujo de las lneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujosde tuberas.

Los codos estndar son aquellos que vienen listos para la pre-fabricacinde piezas de tuberas y que pueden ser fundidos en una sola pieza concaractersticas especificas y son:

Codos estndar de 45 Codos estndar de 90

Codos estndar de 180

Las caractersticas que los diferencian son: Dimetro.

Angulo.

Radio.

Espesores Aleacin.

Junta.

Dimensin.


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas -- TesTes

Son accesorios que se fabrican de diferentes tipos demateriales, aleaciones, dimetros y schedule (define elespesor de cada dimetro) y se utiliza para efectuarfabricacin en lneas de tubera.

Hay de dos tipos Dimetros iguales o te de recta. Reductora con dos orificios de igual dimetro y uno desigual.

Sus caractersticas principales son: Dimetro.

Espesor.

Aleacin.

Juntas.

Dimensin.


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas --

ReduccionesReducciones Son accesorios de forma cnica, fabricadas de diversos materiales

y aleaciones. Se utilizan para disminuir el volumen del fluido atravs de las lneas de tuberas.

Las hay de dos tipos: Estndar concntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza para

disminuir el caudal del fluido aumentando su velocidad, manteniendo sueje.

Estndar excntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza paradisminuir el caudal del fluido en la lnea aumentando su velocidadperdiendo su eje.

Entre sus caractersticas principales destacan Dimetro.

Espesor. Aleacin.

Junta.

Dimensin.


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VlvulasVlvulas Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de

una tubera. Este proceso puede ser desde cero (vlvula totalmentecerrada), hasta de flujo (vlvula totalmente abierta), y pasa portodas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.

Las vlvulas pueden ser de varios tipos segn sea el diseo del

cuerpo y el movimiento del obturador. Las vlvulas de movimientolineal en las que el obturador se mueve en la direccin de su propioeje se clasifican de la siguiente forma: Vlvula de Globo.

Vlvula en Angulo.

Vlvula de tres vas.

Vlvula de Jaula.

Vlvula de Compuerta. Vlvula en Y.

Vlvula de Cuerpo Partido.

Vlvula Saunders.

Vlvula de compresin

Vlvula de Obturador excntrico rotativo.

Vlvula de obturador cilndrico excntrico.

Vlvula de Mariposa.Vlvula de Bola.

Vlvula de Orificio Ajustable.

Vlvula de Flujo Axial.


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EmpacadurasEmpacaduras Es un accesorio utilizado para realizar sellados

en juntas mecanizadas existentes en lneas deservicio o plantas en proceso.

Hay de varios tipos: Empacadura flexitalica.

Anillos de acero.

Empacadura de asbesto.

Empacaduras de cartn.

Empacaduras de goma. Empacadura completa.

Empacadura de metal.

Empacaduras grafitadas.


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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas -- OtrosOtros

Niples: se utilizan para conectar dos

accesorios

Tapones:S

on accesorios utilizados parabloquear o impedir el pase o salida de

fluidos en un momento determinado.

Mayormente son utilizados en lneas de

dimetros menores.


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Tipos de uniones de tuberasTipos de uniones de tuberas

Uniones tipo PVC (resistencia a la corrosin, a la accinelectroltica, a la tensin y al impacto)

Uniones de tubo galvanizado (se usan para agua fra ycaliente, se unen mediante roscas y con tefln)

Uniones de cobre (para redes de gas o conduccin de aguacaliente)

Rgida se acoplan por soldadura

Flexible slo se sueldan si uno de los extremos es ensanchado

Uniones mediante soldadura elctrica(aguantan

altas presiones, se usan para transporte de aguas a hidroelctricas)

Uniones mediante bridas o pernos (se aprietan portuercas y sirven para controlar el paso del fluido)


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Red de abastecimiento de aguaRed de abastecimiento de agua

potablepotable Se conoce como red de abastecimiento de agua potable al sistema

que permite que llegue el agua desde el lugar de captacin al puntode consumo en condiciones correctas, tanto en calidad como encantidad.

Este sistema se puede clasificar por la fuente del agua en: agua de

mar, agua superficial; esta procede de lagos o ros, agua de lluviaalmacenada, agua subterrnea y las aguas procedentes demanantiales naturales.

Es importante tener en cuenta que esta agua antes de ser enviadasa las viviendas se transformar en agua potable, dependiendo elorigen de estas, se le har un proceso de saneamiento ydesinfeccin. Ahora bien, el sistema que utiliza aguas superficiales

consta de cinco partes principales como son la captacin, elalmacenamiento de agua bruta, el tratamiento, almacenamiento deagua tratada y red de distribucin.

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