flujo en conductos nuestro
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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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Modelos de turbulenciaModelos de turbulencia
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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Modelos de turbulenciaModelos de turbulencia
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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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas --
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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Accesorios de tuberasAccesorios de tuberas --
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.