Transporte de Fluidos

Universidad Nacional de Ingeniera.

Transporte de Fluidos.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA Facultad de Ingeniera Industrial y de Sistemas

INFORME DE LABORATORIO FISICOQUIMICA

Curso Tema Profesor Alumnos

: FISICOQUIMICA : TRANSPORTE DE FLUIDOS : : CARLOS CHAFLOQUE ELIAS JOSE OCHOCHOQUE PAUCAR EDGAR SANCHEZ ZELADA. JUAN AURELIO TIPULA QUISPE

2010-I



INTRODUCCIONEl mtodo ms comn para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a travs de un sistema de tuberas. Las tuberas de seccin circular son las ms frecuentes, ya que esta forma ofrece no slo mayor resistencia estructural sino tambin mayor seccin transversal para el mismo permetro exterior que cualquier otra forma. El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de petrleo o gas, requieren de la aplicacin de conceptos bsicos relacionado con el flujo de fluidos en tuberas en sistemas sencillos y en red de tuberas, el uso de vlvulas accesorios y las tcnicas necesarias para disear y especificar equipos utilizados en operaciones de superficie. Los fluidos de un yacimiento de petrleo son transportados a los separadores, donde se separan las fases lquidas y gaseosas. El gas debe ser comprimido y tratado para su uso posterior y el lquido formado por petrleo agua y emulsiones debe ser tratado para remover el agua y luego ser bombeado para transportarlo a su destino. El propsito de este capitulo es proporcionar la conceptos bsicos para el entendimiento del sistema de gas lift utilizado en el campo Ancn, as como para el diseo y rediseo de las facilidades en superficie del sistema.



FUNDAMENTO TEORICO DEFINICION DE FLUIDOPara clasificar a los materiales que se encuentran en la naturaleza se pueden utilizar diversos criterios. Desde el punto de vista de la ingeniera, uno de los ms interesantes lo constituye aquel que considera el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales. De acuerdo a ello se definen los estados bsicos de slido, plstico, fluidos y plasma. De aqu la de definicin que nos interesa es la de fluidos, la cual se clasifica en lquidos y gases. La clasificacin de fluidos mencionada depende fundamentalmente del estado y no del material en si. De esta forma lo que define al fluido es su comportamiento y no su composicin. Entre las propiedades que diferencian el estado de la materia, la que permite una mejor clasificaron sobre le punto de vista mecnico es la que dice la relacin con la forma en que reacciona el material cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos reaccionan de una manera caracterstica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un slido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corte o tangencial se tienen reacciones caractersticas que se pueden verificar experimentalmente y que permiten diferenciarlos. Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando esta sometido a un esfuerzo de corte o tangencial". De esta definicin se desprende que un fluido en reposo no soporta ningn esfuerzo de corte.



PROPIEDADES DE LOS FLUIDOSLos fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades fsicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento as como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son tpicas de todas las sustancias. Caractersticas como la viscosidad, tensin superficial y presin de vapor solo se pueden definir en los lquidos y gasas. Sin embargo la masa especfica, el peso especfico y la densidad son atributos de cualquier materia. MASA ESPECFICA, PESO ESPECFICO Y DENSIDAD. Se denomina masa especfica a la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia. Se designa por P y se define: P = lim ( m/ v) v->0 El peso especfico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por . La masa y el peso especfico estn relacionados por: = gP Donde g representa la intensidad del campo gravitacional. Se denomina densidad a la relacin que exista entre la masa especfica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los lquidos se utiliza la masa especifica del agua a 4C como referencia, que corresponde a 1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa especifica a 20C 1 1,013 bar de presin es 1,204 kg/m3.



VISCOSIDAD. La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Esta ligada a la resistenciaque opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y slidos. Adems los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relacin que exista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformacin. Supngase que se tiene un fluido entre dos placas paralelas separada a una distancia pequea entre ellas, una de las cuales se mueve con respecto de la otra. Esto es lo que ocurre aproximadamente en un descanso lubricado. Para que la palca superior se mantenga en movimiento con respecto ala inferior, con una diferencia de velocidades V, es necesario aplicar una fuerza F, que por unidad se traduce en un esfuerzo de corte, = F / A, siendo A el rea de la palca en contacto con el fluido. Se puede constatar adems que el fluido en contacto con la placa inferior, que esta en reposo, se mantiene adherido a ella y por lo tanto no se mueve. Por otra parte, el fluido en contacto con la placa superior se mueve ala misma velocidad que ella. Si el espesor del fluido entre ambas placas es pequeo, se puede suponer que la variacin de velocidades en su interior es lineal, de modo que se mantiene la proporcin: dv / dy = V/y COMPRESIBILIDAD. La compresibilidad representa la relacin entre los cambios de volumen y los cambios de presin a que esta sometido un fluido. Las variaciones de volumen pueden relacionarse directamente con variaciones de la masa especfica si la cantidad de masa permanece constante. En general se sabe que en los fluidos la masa especfica depende tanto de la presin como de la temperatura de acuerdo



PRESIN DE VAPOR. Los fluidos en fase liquida o gaseosa dependiendo de las condiciones en que se encuentren. Las sustancias puras pueden pasar por las cuatro fases, desde slido a plasma, segn las condiciones de presin y temperatura a que estn sometidas. Se acostumbra designar lquidos a aquellos materias que bajo las condicione normales de presin y temperatura en que se encuentran en la naturaleza estn en esa fase. Cuando un liquido se le disminuye la presin a la que esta sometido hasta llegar a un nivel en el que comienza a bullir, se dice que alcanzado la presin de vapor. Esta presin depende de la temperatura. As por ejemplo, para el agua a 100C, la presin es de aproximadamente de 1 bar, que equivale a una atmsfera normal. La presin de vapor y la temperatura de ebullicin estn relacionadas y definen una lnea que separa y el lquido de una misma sustancia en un grafico de presin y temperatura. . TENSIN SUPERFICIAL. Se ha observado que entre la interfase de dos fluidos que no se mezclan se comportan como si fuera una membrana tensa. La tensin superficial es la fuerza que se requiere para mantener en equilibriouna longitud unitaria de esta pelcula. El valorde ella depender de los fluidos en contacto y de la temperatura. Los efectos de la superficial solo apreciables en fenmenos de pequeas dimensiones, como es el caso de tubos capilares, burbujas, gotas y situaciones similares. Segn Bonifacio Fernndez L. Las propiedades de los fluidos se dividen en extensivas y mecnicas; de las cuales se derivan otras tomando en cuenta diversos factores.



DINMICA DE FLUIDOS O HIDRODINMICA

Esta rama de la mecnica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinmica tiene una importancia prctica mayor que la hidrosttica, slo podemos tratar aqu algunos conceptos bsicos. El inters por la dinmica de fluidos se remonta a las aplicaciones ms antiguas de los fluidos en ingeniera. Arqumedes realiz una de las primeras contribuciones con la invencin, que se le atribuye tradicionalmente, del tornillo sin fin. La accin impulsora del tornillo de Arqumedes es similar a la de la pieza semejante a un sacacorchos que tienen las picadoras de carne manuales. Los romanos desarrollaron otras mquinas y mecanismos hidrulicos; no slo empleaban el tornillo de Arqumedes para bombear agua en agricultura y minera, sino que tambin construyeron extensos sistemas de acueductos, algunos de los cuales todava funcionan. En el siglo I a.C., el arquitecto e ingeniero romano Vitrubio invent la rueda hidrulica horizontal, con lo que revolucion la tcnica de moler grano. A pesar de estas tempranas aplicaciones de la dinmica de fluidos, apenas se comprenda la teora bsica, por lo que su desarrollo se vio frenado. Despus de Arqumedes pasaron ms de 1.800 aos antes de que se produjera el siguiente avance cientfico significativo, debido al matemtico y fsico italiano Evangelista Torricelli, que invent el barmetro en 1643 y formul el teorema de Torricelli, que relaciona la velocidad de salida de un lquido a travs de un orificio de un recipiente, con la altura del lquido situado por encima de dicho agujero. El siguiente gran avance en el desarrollo de la mecnica de fluidos tuvo que esperar a la formulacin de las leyes del movimiento por el matemtico y fsico ingls Isaac Newton. Estas leyes fueron aplicadas por primera vez a los fluidos por el matemtico suizo Leonhard Euler, quien dedujo las ecuaciones bsicas para un fluido sin rozamiento (no viscoso).



Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinmicas para los fluidos slo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin embargo, como esto nunca es as en el caso de los fluidos reales en movimiento, para Gareth Williams los resultados de dicho anlisis slo pueden servir como estimacin para flujos en los que los efectos de la viscosidad son pequeos. FLUJOS INCOMPRESIBLES Y SIN ROZAMIENTO

Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemtico y cientfico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energa mecnica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una lnea de corriente. Las lneas de corriente son lneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la direccin del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partculas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relacin entre los efectos de la presin, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presin disminuye PRINCIPIO DE BERNOULLI El principio de Bernoulli, tambin denominado ecuacin de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido movindose a lo largo de una lnea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinmica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de circulacin por un conducto cerrado, la energa que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energa de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: 1. Cintica: es la energa debida a la velocidad que posea el fluido. 2. Potencial gravitacional: es la energa debido a la altitud que un fluido posea.



3. Energa de flujo: es la energa que un fluido contiene debido a la presin que posee.

Esquema del principio de Bernoulli

DISPOSITIVOS PARA MEDIR CAUDAL Y VELOCIDAD DE FLUIDOS 1. TUBO VENTURIMETROEs un tipo de boquilla especial, seguido de un cono que se ensancha gradualmente, accesorio que evita en gran parte la prdida de energa cintica debido al rozamiento. Es por principio un medidor de rea constante y de cada de presin variable. En la figura se representa esquemticamente un medidor tipo Ventur.



2. MEDIDOR DE ORIFICIOEl medidor de Orificio es un elemento ms simple, consiste en un agujero cortado en el centro de una placa intercalada en la tubera. El paso del fluido a travs del orificio, cuya rea es constante y menor que la seccin transversal del conducto cerrado, se realiza con un aumento apreciable de la velocidad (energa cintica) a expensa de una disminucin de la presin esttica (cada de presin). Por esta razn se le clasifica como un medidor de rea constante y cada de presin variable.

3. TUBO DE PITOT Es uno de los medidores ms exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubera. El equipo consta de un tubo cuya abertura est dirigida agua arriba , de modo que el fluido penetre dentro de sta y suba hasta que la presin aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad. El Tubo de Pitot mide las presiones dinmicas y con sta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variacin de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubera (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubera).



4. ROTAMETROSEs un medidor de caudal en tuberas de rea variable, de cada de presin constante. El Rotmetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cnico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el rea anular entre l y la pared del tubo sea tal, que la cada de presin de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posicin del flotador indica el gasto o caudal. Los rotametros, flowmeters, del tipo area variable, son instrumentos diseados para la medicin y control de caudales, gases y lquidos. Fabricamos caudalmetros desde 1 ml/h hasta 1000000 lts/min. La unidad de lectura vendr especificada en la unidad de preferencia del usuario (lts/h, g/min, mtr^3/h, scfh, lbm/min, scfm, etc, etc), es decir, lectura directa de caudal. Rangos operacionales diponibles: desde 0,5 ltrs/h de agua (0,01 mtr^3/h de aire), para tuberas de diametro 1/4" NPT, hasta 100000 ltrs/h de agua (3000 mtrs^3/h de aire) para tuberas de diametro 4". Para diametros de tubera mayores de 3", caudales hasta 10000000 ltrs/min, se usar el medidor de flujo de tipo area variable modelo "push botton".



Aqu se presenta un modelo de las especificaciones tcnicas de un Rotmetro:

El tubo medidor del tipo pyrex, est protegido por una carcasa protectora de acero inoxidable calidad 316. EL flotador medidor se desplaza verticalmente a lo largo de una varilla gua, razn por la cual pueden ser utilizados para medir fluidos de una alta viscosidad. Rotametros de seguridad con fabricacin especial y a requerimientos especficos estn disponibles. Los materiales usados son: Tubo medidor en vidrio borosilicato tipo pyrex. Conectores y partes internas en acero inoxidable 316. O-rines y empaques en tefln La longitud de la escala medidora se ofrece en variados tamaos: 230 mm, 330 mm, 100 mm, etc. La precisin es del 2% en full escala.



4. MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVOSon el fundamento o la base de muchos elementos de control. El medidor de desplazamiento positivo es un instrumento sensible al flujo. Este responde a variaciones en el valor del flujo y responde a seales mecnicas correspondiente a la rotacin del eje. Se aplican en las siguientes circunstancias: donde se encuentre un flujo grande, donde se requiere una respuesta directa al valor de la variacin del flujo y donde la accin mecnica es necesaria.



TIPOS DE ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE DE FLUIDOS

Mdulo de entrenamiento en la ecuacin de Bernoulli

Mdulo de entrenamiento en dinmica de fluidos y bombas



APLICACIONESTubera La ecuacin de Bernoulli y la ecuacin de continuidad tambin nos dicen que si reducimos el rea transversal de una tubera para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducir la presin. Natacin La aplicacin dentro de este deporte se ve reflejado directamente cuando las manos del nadador cortan el agua generando una menor presin y mayor propulsin. Sustentacin de aviones El efecto Bernoulli es tambin en parte el origen de la sustentacin de los aviones. Gracias a la forma y orientacin de los perfiles aerodinmicos, el ala es curva en su cara superior y est angulada respecto a las lneas de corriente incidentes. Por ello, las lneas de corriente arriba del ala estn mas juntas que abajo, por lo que la velocidad del aire es mayor y la presin es menor arriba del ala; al ser mayor la presin abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia arriba llamada sustentacin.ESPECIALIDAD APLICACIONES

Hidrulica urbana

Suministro de agua potable, alcantarillado, tratamiento de aguas residuales. Control de la contaminacin.

Hidrulica fluvial

Dinmica de ros, transporte de sedimentos, morfologa de ros, estabilidad de canales, proteccin de riberas. Explotacin, monitoero y recarga de acuferos. Control de contaminacin. Proteccin de lnea costera, puertos, rompeolas, estructuras en mar adentro. Estuarios.

Hidrulica subterrnea

Hidrulica martima

Ecohidrulica

Estudia el efecto de los trabajos ingenieriles en los ecosistemas naturales, en trminos de calidad de agua, contaminacin y proteccin.



CONCLUSIONES La mecnica de los fluidos estudia el comportamiento de estos como un medio continu, sin considerar lo que ocurre a nivel de sus molculas. Se definen como propiedades intensivas a las que no dependen de la cantidad de materia comprometida, y extensivas a las que dependen.

Para cuantificar el comportamiento de los fluidos se utiliza n ciertas magnitudes de referencia para las dimensiones bsicas. Para ello se utiliza l Sistema Internacional de Medidas, el cual se basa en el sistema MKS. Las unidades bsicas son: el metro, el segundo, el kilogramo y el grado kelvin. La unidad de fuerza es el newton.

Los fluidos tienen dos propiedades mecnicas: masa especfica y peso especfico. La propiedad ms importante para los fluidos es la viscosidad, adema tiene otras propiedades como: la compresibilidad, calor especfico y tensin superficial.



BIBLIOGRAFIA

SITIOS WEB:

http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli http://descom.jmc.utfsm.cl/jcarmi/procesos2/documentos/apuntes/proceso sII%20%20pdf/05%20Transporte%20de%20fluidos.pdf

http://www.benvic.com/marketsapplications/specificmarket/0,,52184-100,00.htm

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