Capitulo 1 Propiedades de Fluidos

NOVIEMBRE DE 2007NOVIEMBRE DE 2007

CAPITULO ICAPITULO I

PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE LOS FLUIDOSLOS FLUIDOS

LUIS EDUARDO DUARTE TLUIS EDUARDO DUARTE [email protected]@hotmail.com


OBJETIVO GENERALTrabajar los conceptos fundamentales de mecánica de

fluidos con el objeto de aplicarlos al transporte de hidrocarburos líquidos, e igualmente conocer los

puntos de vista de fabricantes de equipos para disponer de los elementos de juicio adecuados que permitan a los asistentes optimizar la operación, el

mantenimiento y la administración de los activos relacionados con los sistemas de transporte por

tuberías.


ALCANCE Fundamentos básicos de la Mecánica de

Fluidos. Aplicaciones en las lineas de transporte

Equipos de Bombeo. Selección de equipos

Operación Mantenimiento


LA MECÁNICA DE FLUIDOS Y LA HIDRÁULICA

Condiciones del fluido En reposo. En movimiento.

Compresibles. No compresibles


DIMENSIONES FUNDAMENTALES UNIDADES

CANTIDAD DIMENSION SI SIST. BRITANICO Longitud L metro m pie ft Masa m M kilogramo Kg. slug Tiempo t T segundo s segundo s Corriente eléctrica i amperio A amperio A Temperatura T kelvin K Rankine °R Cantidad de sustancia M Kg.-mole lb.-mol Intensidad luminosa candela cd cd Angulo plano radian Rad. Rad. Angulo sólido steroradian sr sr

mÿ Q ÿ TABLE 1.3 SI Prefixes Multiplication factor Prefix Symbol 1012 tera T 109 giga G 106 mega M 103 kilo k 1022 centia c 1023 milli m 1026 micro m 1029 nano n 10212 pico p aPermissible if used alone as cm, cm2, or cm3. n Components D F D Fn D Ft D A D A Figure 1.1 Figure 1.2 e r V D Figure 1.3 Surface D Fn D A Figure 1.4 A Standard atmosphere Local atmosphere – Positive pressure – Negative pressure or positive vacuum Zero absolute pressure p A absolute p B absolute p = 0 absolute p = 0 gage p B gage (negative) p A gage 101.3 kPa 14.7 psi 30.0 in. Hg 760 mm Hg 34 ft H2O 1.013 bar A B B Figure 1.5 100° Steam point Ice point Zero absolute temperature 373 212° 672° °C K °F °R 0° 273 32° 492° –17.8° 255.2 0° 460° TABLE 1.4 Density, Specific Weight, and Specific Gravity of Air and Water at Standard Conditions Density r Specific weight g kg/m3 slug/ft3 N/m3 lb/ft3 Specific gravity S Air 1.23 0.0024 12.1 0.077 0.00123 Water 1000 1.94 9810 62.4 1


UNIDADES DERIVADAS

CANTIDAD-DIMENSION SI SIST. BRITANICO

Área, A: L2 m2 ft2 Volumen, V: L3 m3 ft3

Velocidad, V: L/T m/s ft/sec Aceleración, a: L/T2 m/s2 ft/sec2

Fuerza F: ML/T2 Kg.m/s2, N slug-ft/s2

Densidad :M/L3 Kg./m3 slug/ft3

Peso especifico N/m3 libra/ft3

Presión, p N/m2, Pa libra/ft2

Trabajo, W: ML2 /T2 N . m ft-lb. Potencia, P: ML2 /T3 J/s W (watt) ft-lb./sec Viscosidad . N.s/m2 lb. sec/ft2 Flujo másico M/T Kg./s slug/s Flujo volumétrico, Q: L3 /T m3/s ft3/s



Soporte matemático

Coeficientes experimentales

Fórmulas empíricas



Métodos de análisis. Leyes de Newton del movimiento. Principio de conservación de la masa. Ecuaciones de energía. Ley de Newton de la Viscosidad. Leyes de la Termodinámica.


Alcance: manejo de Alcance: manejo de hidrocarburos líquidos hidrocarburos líquidos

Aspectos fundamentales:

• Propiedades Físicas.• Comportamiento en reposo.

• Comportamiento en movimiento.• Análisis de líneas de transporte.

• Aspectos importantes de la operación.• Prácticas operativas y de mantenimiento.

• Ampliaciones y actualizaciones.


PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Importancia de conocerlos. Valores de esas propiedades.


QUE ES UN FLUIDO Un fluido es una sustancia capaz de adaptarse a la

forma del recipiente que lo contiene. No pueden soportar fuerzas cortantes. Son compresibles en diferente grado. Ofrecen poca resistencia a los cambios de forma. Se dividen en Líquidos y gases:

Los líquidos son prácticamente incompresibles, los gases son compresibles.

Los líquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres. Los gases ocupan todo el recipiente.


DENSIDAD La densidad de un fluido está definida como la

relación de masa por unidad de volumen:

Se expresa en: Kg/m3

Slug/pie3

Otras Unidades de densidad Gramos/cm3

Kg/dm3

Ton/m3


DENSIDAD

VolumenV

Masam

DensidadV

m


VOLUMEN ESPECÍFICO

El volumen específico es el inverso de la densidad:

Se expresa en: m3/Kg pies3/slug

1

V


PESO ESPECÍFICO El peso específico está definido como el

peso por unidad de volumen.

Otras unidades Nw/m3

Lb/pies3

Dina/cm3


PESO ESPECÍFICO

VolumenV

gmPesoP

EspecificoPesoVP


PESO ESPECÍFICO

Se expresa como:

g


GRAVEDAD ESPECÍFICA

Se define como la relación entre el peso del fluido y el peso del agua en condiciones estándar, (15ºC - 60ºF)

OH

pSGU2

737.0/4.62

/463

3

piesLb

piesLbSGUGASOLINA

La Gravedad específica de un Gas se mide con respecto al aire a15ºC- 100Kpa o con referencia al sistema Británico a 60ºF y 14.7 psi.


GRAVEDAD API

La gravedad API, definida por el American Petroleum Institute, se expresa en función de la gravedad específica

Según la gravedad API los crudos se clasifican: Crudos pesados. Crudos medios. Crudos livianos.

EspecíficaGravedadSG

FaSGAPI

5.131

60

5.141


LA PRESIÓN

La Presión se define como una fuerza sobre un área

A

FP


MEDICIÓN DE LA PRESIÓN

Pabsoluta = Pmanométrica + Patmosférica

Manómetros Barómetros

PSI ó ,

,

22

2

pulgada

lbmás usada

pie

lb

SIPam

NAF

P



Unidades más utilizadas:Lb/ pulg2, Nw/m2 (Pascales), atmósferas.

Columna de líquido = mm de Hg, pies de H2O., m.c.a. metros o pies columna de fluido



Ejemplos Ilustrativos

1. Expresar 155 Kpaman como Pabsoluta

La Patm = 98 Kpa

Pabs = 155 +98 = 253 Kpa abs

2. Exprese 10.9 Psia como psig

Pat = 15.0 Psia

Pabs = Pg + Pat

Pg = Pabs – Pat

= 10.9 – 15 = - 4.1 Psig

No es que la presión sea negativa.

Son 4.1 psi por debajo de la Pat.

Son 4.1 psi de vacío.



3. Exprese (–6.2) Psig como Pabs

Pabs = Pg + Patm

La Patm puede tomarse como 14.7 psia

Pabs = -6.2 + 14.7 = 8.5 psia

4. Exprese 225 Kpa.abs como Pg

Pat local = 101 Kpa.abs

Pabs = Pg + Patm

Pg = Pabs – Patm

Pg = 225 – 101

Pg = 124 Kpa.g



Relación entre Presión y Elevación

Válido para líquidos homogéneos.

1. A igual nivel horizontal, igual presión.

2. El es al del líquido.

3. La P varía linealmente con el

4. Si (Z) P , si (Z) P

5. El no depende de la forma del contenedor.

ghgP

ghP

P

P



Ejemplo:

Calcule el cambio de presión del agua desde la superficie hasta 15 pies de profundidad.

PSI 6.5

P

pu144

pie1pies15

ft

lb462P

2

2

3 lg.


MEDICIÓN DE LA PRESIÓNEjemplo de un ladrillo con las siguientes dimensiones:



De Plano: p = 12.000 gr./ 800 cm2 = 15 gr./ cm2

De Canto: p = 12.000 gr / 400 cm2 = 30 gr./cm2

AW

p

AW

p


PRESIÓN

22

22

lg/2lg100

200lg/2

lg1

2puLb

pu

LbppuLb

pu

Lbp


FLOTABILIDAD

“Todo cuerpo sumergido parcial o totalmente dentro de un fluido, experimenta un empuje vertical

ascendente igual al peso del fluido desalojado.”

…. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES.


EJERCICIO 1 Un hidrómetro pesa 0.0216 N, su extremo superior es un

vástago cilíndrico de φ 0.28 cm. Cual será la diferencia en longitudes de emergencia del vástago cuando se sumergen en aceite de S.G. = 0.78 y en alcohol de S.G. =0.821


EJERCICIO 1

cmh

dA

AhV

mV

V

28.2

1000

8.2

44

9790780.00216.0 2.

AlcoholEn 1069.2

9790821.00216.0 1.

22

1

361

1


EJERCICIO 2

Se tiene un hidrómetro con peso w, su parte superior es un cilindro con diámetro d; cuál será la diferencia de alturas en su escala cuando se introduce en dos líquidos con densidades 1 y 2, con 1 > 2?


EJERCICIO 2

Peso hidrómetro = Peso líquido desplazado

w

22

1

2

22

1

2

22

1

22

1

2

2

12

11

1111

14

4

1

44

4

d

w

d

wh

hd

wwhdw

w

hd

Vw

wV

VVgw


VISCOSIDAD

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se

le somete a un esfuerzo cortante, sin importar la magnitud.


VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS

La facilidad con la que un líquido fluye o se derrame es un indicativo.

Es la propiedad de un fluido que ofrece resistencia al movimiento relativo de sus

moléculas.

La pérdida de energía de los fluidos se debe a su viscosidad.


VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS

Viscosidad Dinámica

La tensión de corte (Esfuerzo) : Es la fuerza requerida para deslizar una capa de

fluido de área unitaria de una sustancia sobreotra capa adyacente de la misma sustancia.Y

U

Area

Fuerza


VISCOSIDAD

= constante de proporcionalidad.µ = viscosidad dinámica

A= área U= velocidad t= separación entre placas.El esfuerzo cortante es:

Reemplazando se tiene:

AF

tU


VISCOSIDAD UNIDADES

Pa.s m 1.0Pa.s 0.001100

CGSPa.s 0.1.

,.

,

.,,

2

2

2

2

poisecentipoise

scmg

cm

sdinapoise

SBspie

slug

pie

lbxs

SIsm

KgsPa

m

Nxs

smm

xm

N

YV


VISCOSIDAD UNIDADES

Viscosidad Cinemática ; unidades

Dado que y son características de cada fluido, así también lo es .

En el sistema cgs

v

SBs

SIsKgms

Kgv

pie

mm

2

23

smstoke

centistoke

sm

scmStoke

26

242

10100

10

TL2


VISCOSIDAD

yv

tUA

F


CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS

Se pueden clasificar en: Newtonianos

No Newtonianos.

• En los Newtonianos existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo

cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante.

• En los no Newtonianos, esa relación no es lineal.


CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS


CLASIFICACION DE LOS FLUIDOS

Reemplazando las unidades:

LYTL

ULF

yu

;;2

TLM

TLM

FcomoyLTF

22

:,


OTRAS UNIDADES DE VISCOSIDAD

SSU (Saybolt Universal).SSF (Saybolt Furol). SSU para crudos poco viscosos.SSF para crudos más viscosos.


PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

Viscosidad, Densidad y Volumen de un Líquido. La temperatura en oleoductos es afectada por la temperatura

ambiente tanto como por el calor generado por las bombas y la fricción.

La viscosidad se incrementa si la temperatura disminuye.

La densidad se incrementa a medida que la temperatura disminuye.

El volumen de un líquido cambia proporcionalmente con la temperatura, si la temperatura aumenta el volumen también.

Si la temperatura disminuye, el volumen también. Esta propiedad es llamada expansión térmica de los líquidos.

La temperatura estándar que se usa para calcular el volumen es 60 grados Fahrenheit (15 grados centígrados).


PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

Viscosidad, Densidad y Volumen de un Líquido. La conversión del volumen de un líquido a un

volumen de temperatura estándar, utiliza la formula:

realaTemperaturT

yCFT

realvolumenV

expansióndeecoeficientC

dondeVTTCVV

estandar

estandarestandar

1

1

111

1560

.

,


COMPRESIBILIDAD DE LOS GASES PV = RT

P = Presión absolutaV = volumenR = es la constante universal de los gases.T = Temperatura en grados K o grados R.

Para una masa constante de Gas:

P1 V1T2 = P2 V2 T1

2

22

1

11

TVP

TVP


INCOMPRESIBILIDAD DE LOS LIQUIDOS

Para efectos prácticos en transporte de fluidos, los líquidos se tratan como incompresibles.

No Obstante hay que tener especial cuidado con la dilatación térmica de los fluidos.

El agua disminuye su volumen en 5/100.000 por atmósfera de presión.


PRESIÓN DE VAPOR

LIQUIDO


PRESIÓN DE VAPOR

El fenómeno de la presión de vapor depende de la temperatura y aumenta con ella.

La presión de vapor aumenta exponencialmente a medida que la temperatura se incrementa.

Cuando la presión que actúa sobre un líquido es igual a su presión de vapor, se presenta la

ebullición del liquido.Pv H2O = 0.339 PSI a 60 ºF.

Pv Hg = 0.0000251 PSI a 60 º F.


PRESION DE VAPOR

La presión de vapor de un líquido es la presión por encima de la cual un líquido no se evapora más. La presión de vapor se incrementa al

incrementar la temperatura.

La evaporación de un líquido en un oleoducto va en detrimento de la operación en la línea ya que la evaporación:

Causa mediciones imprecisas. Pérdida de control operacional

Hace imposible medir la densidad del líquido y puede generar daños severos en las paredes del oleoducto, válvulas y bombas.

La presión parcial es la presión ejercida por cada uno de los componentes de una mezcla tal como gasolina, condensados y

diesel. Dado que cada uno tiene una presión de vapor diferente, la evaporación puede ocurrir a diferentes presiones y temperaturas en

un oleoducto.


PRESION DE VAPOR

A continuación los valores de la presión de vapor de algunos productos, obsérvese la influencia de la temperatura para el caso del agua, situación análoga se presenta con los demás fluidos líquidos, también variará la densidad y el peso específico

Presión de Vapor Gasolina = 9.8 PSIA a 100 ºF. Presión de Vapor ACPM = 0 PSIA a 100 ºF. Presión de Vapor GLP = 120 PSIA a 100 ºF.

Presión de Vapor del Agua = 1 PSIA a 100 ºF Presión de vapor del Agua = 14.7 PSIA a 212 ºF Presión de vapor del Agua =1.543 PSIA a 600 ºF


CAVITACIÓN

Cuando un líquido esta a una presión menor que su presión de vapor, se evapora espontáneamente, formando bolsas o cavidades de vapor que son transportadas a otras áreas de presiones mayores en donde se colapsan bruscamente, generando presiones puntuales altísimas que son capaces de ocasionar erosión severa en las

estructuras que los contienen.

La cavitación es la formación y estallido rápido de burbujas de vapor en el flujo del líquido donde la presión está por debajo de la presión de vapor. La cavitación es

provocada por:

En Flujos demasiado altos para un sistema determinado. Incremento de las perdidas por fricción.

Posibilidad de baja presión de succión en la bomba. Incremento en la velocidad del liquido.

Incremento en la temperatura del liquido. Condiciones de flujo indeseadas, causadas por una obstrucción.

La cavitación puede prevenirse manteniendo la presión de operación en todos los puntos del sistema por encima de la presión de vapor del fluido manejado.


CAVITACION

La cavitación se presenta cuando el fluido se maneja por debajo de la presión de vapor presentándose

cavidades en el líquido con burbujas de los vapores del fluido .

Las burbujas viajan con el líquido hasta sitios donde son sometidas a presiones mayores, donde se

colapsan produciendo cargas puntuales muy elevadas y afectando las fronteras sólidas que estén a su

alcance


CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS FLUIDOS

PRODUCTOSGU a 60

ºFCP a 60 º F

Pv a 100 ºF

GLP 0.512 0.106 120 PSIA

GASOLINA MOTOR

0.743 0.678 9.8 PSIA

ACPM 0.87 5.1 0.0 PSIA

QUEROSENO 0.832 1.9

AGUA 1 1 1 PSIA

CRUDO MEDIO 0.86 150

CRUDO PESADO

0.96 13000

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