FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS.

Instituto Universitario Politécnico ¨Santiago Mariño¨ Ampliación-Maracaibo Mec. Fluidos II

Realizado por: José BlancoCI: 21798263

Conceptos básicos:

Flujo de tuberías: El estudio del flujo en sistemas de tuberías es una de las aplicaciones más comunes de la mecánica de fluidos, esto ya que en la mayoría de las actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Por ejemplo la distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, el flujo de aire por ductos de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, flujo de aceite en los sistemas hidráulicos de maquinarias, el flujo de de gas y petróleo en la industria petrolera, flujo de aire comprimido y otros fluidos que la mayoría de las industrias requieren para su funcionamiento, ya sean líquidos o gases.

Flujo laminar y turbulento: Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluidos sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. Se puede presentar en las duchas eléctricas vemos que tienen líneas paralelas. Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos periódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente.

Turbulento

Laminar

Fuerza cortante: El esfuerzo cortante, de corte, de cortadura o cizallancia es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Se designa variadamente como T, V o Q.

Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante. Para una pieza prismática se relaciona con la tensión cortante mediante la relación:

(1)Para una viga recta para la que sea válida la teoría de Euler-Bernoulli se tiene la siguiente relación entre las componentes del esfuerzo cortante y el momento flector:(2)

Calculo de tuberías: El cálculo del caudal de agua que recorre un conjunto de tuberías, que forman una red o un circuito, es importante para determinar las necesidades de energía que harán que el agua circule por ellas en las condiciones determinadas por el proyecto que se trate.

El conjunto de tuberías puede pertenecer a redes tanto en los edificios, como la de calefacción o la de agua corriente, como en la industria.

Problema y calculo del coeficiente de perdida de carga karman:

Problema:

Interpretación de la Ecuación de Bernoulli para el escurrimiento permanente y variado.

Puede ser considerada “incompresible” a los efectos de la práctica, en los escurrimientos permanentes (independientes del tiempo). En la figura se evalúa, a la vez que se interpreta físicamente, la expresión para un caso hipotético de una conducción de D variable (disminuyendo en el sentido del eje) e inclinada para mayor generalidad, con lo que los Zi resultan también variables. A la línea que se obtiene de deducir de la energía total el término ΔJ*, se la denomina “Línea hidrodinámica” y brinda en cada sección la energía hidráulica remanente del fluido que escurre, en relación con el plano arbitrario de referencia elegido. Si además se descuenta el valor U2 /2g obtenemos la “línea piezométrica”, la que brinda la energía potencial del líquido en cada sección, siempre con respecto al plano arbitrario de comparación.

Tuberías en serie: Se habla de tuberías en serie cuando se quiere llevar el fluido de un punto a otro punto por un solo camino. Como en el ejemplo de la figura.

Tuberías en paralelo: Se habla de tuberías paralelo cuando se establecen varios caminos para llevar el fluido de un punto a otro. Como en el ejemplo de la figura:

Sistema de tuberías ramificadas

ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTÁTICA:

La Hidrostática es el capítulo de la Hidráulica que estudia los líquidos en reposo. Sus aplicaciones en la Ingeniería en general, y en la Ingeniería Civil en particular, son diversas abarcando el amplio campo que va desde la determinación de fuerzas o solicitaciones que permiten diseñar las estructuras que los contienen, pasando por la medición en fluidos, hasta llegar a la problemática de los cuerpos sumergidos y en particular el equilibrio de los cuerpos flotantes, de tanta aplicación en la Ingeniería Naval. Si de la expresión de Bernoulli se eliminan los términos función de la velocidad, es decir los que implican movimiento se obtiene la ecuación fundamental de la Hidrostática:

Z1+P/y=Cte

Pérdida de energíaTambién es llamada pérdida de carga, y es la pérdida de energía que experimentan los líquidos que fluyen en tuberías y canales abiertos. La energía necesaria para vencer los efectos del rozamiento en el flujo turbulento es la pérdida de carga. Las pérdidas de energía localizadas en las turbulencias incluidas por las piezas especiales y los accesorios que se utilizan  en tuberías y canales son también pérdidas de carga. La pérdida de carga se representa habitualmente por el símbolo hL

      Línea piezométricaLínea piezométrica como muestra la figura 1, es la línea que une los puntos hasta los que el líquido podría ascender si se insertan tubos piezométricos en distintos lugares a lo largo de la tubería o canal abierto. Es una medida de la altura de presión hidrostática disponible en dichos puntos.    Línea de energíaTambién es llamada línea de carga. La energía total del flujo en cualquier sección, con respecto aun plano de referencia determinado, es la suma de la altura geométrica o de elevación Z, la altura piezométrica o de carga, y, y la altura cinética o de presión dinámica V2/2g. La variación de la energía total de una sección a otra se representa por una línea denominada de carga o de energía y también gradiente de energía. (Figura 1). En ausencia de pérdidas de energía, la línea de carga se mantendrá horizontal, aún cuando podría variar la distribución relativa de la energía entre las alturas geométrica, piezométrica y cinética. Sin embargo, en todos los casos reales se producen pérdidas de energía por rozamiento y la línea de carga resultante es inclinada.

 Flujo permanenteEl flujo permanente se produce cuando la descarga o caudal en cualquier sección transversal permanece constante.  Flujo uniforme y no uniformeSe llama flujo uniforme aquel en que el calado, sección transversal y demás elementos del flujo se mantienen sustancialmente constantes de una sección a otra. Si la pendiente sección transversal y velocidad cambian de un punto a otro de la conducción, el flujo se dice no uniforme. Un ejemplo de flujo permanente no uniforme es aquel que atraviesa un tubo Venturi utilizado para medir caudales.  Ecuación de continuidadLa ecuación de continuidad expresa la conservación de la masa del fluido a través de las distintas secciones de un tubo de corriente, como muestra la figura 2. Con arreglo al principio de conservación de la masa, ésta no se crea ni se destruye entre las secciones A1 y A2.

 Ecuación de energía Un fluido en movimiento puede tener cuatro clases de energía: energía estática o de presión Ep, energía cinética Ev, energía potencial Eq y energía interna o térmica Ei. Si Em representa la energía mecánica transferida al fluido (+) o desde él (-), por ejemplo mediante una bomba, ventilador o turbina, y Eh representa la energía térmica transferida al fluido (+) o desde él (-), por ejemplo mediante un intercambiador de calor, la aplicación de la ley de conservación de energía entre los puntos 1 y 2 de la figura 3

  Ecuaciones para flujo en tuberías. Para proyectar instalaciones de transporte de fluidos, tanto si el flujo es a presión como en lámina libre, es preciso conocer : 1) la relación existente entre la pérdida de carga o la pendiente de la línea de energía y el caudal; 2) las características del fluido, y 3) la rugosidad y configuración de la tubería o canal. En esta sección se discuten algunas ecuaciones que relacionan dichos factores. Puesto que se supone que el lector está familiarizado con los fundamentos del flujo de fluidos, no se incluyen deducciones engorrosas y se presentan las ecuaciones sin discutir todas las limitaciones concernientes a su aplicación .

Las ecuaciones del flujo de fluidos en conductos cerrados pueden derivarse tanto de consideraciones teóricas como empíricamente. La ecuación de Poiseuille para flujo laminar y la ecuación universal de Darcy-Weisbach son ejemplos de ecuaciones deducidas teóricamente. Las fórmulas de Manning y Hacen-Williams, utilizadas para proyectar alcantarillas y conducciones forzadas, son ejemplos de ecuaciones obtenidas experimentalmente.

Ecuación de PoisevilleEn el flujo laminar, las fuerzas de viscosidad predominan sobre las demás fuerzas , tales como la inercia.