INTEGRANTES:

2016UNIVERSIDAD

PARTICULAR DE CHICLAYO

INGENIERIA CIVIL

[DISEÑO DE TUBERÍAS].

INTRODUCCIÓN

La Hidráulica es la ciencia y técnica que trata de las leyes que rigen el comportamiento y el movimiento de los líquidos, y de los problemas que provoca su utilización. Estudia las propiedades, leyes y efectos de los líquidos en reposo o en movimiento. En el presente curso el líquido estudiado es el agua y por tanto todos los teoremas, postulados y fórmulas de hidrostática e hidrodinámica a que hagamos referencia, estarán particularizados a las características físicas (densidad, viscosidad, etc.) del agua. Igualmente, hemos de señalar que en los teoremas fundamentales de Hidráulica, se ha eludido el desarrollo de sus demostraciones por no ser objeto de este curso.

DISEÑO DE TUBERÍAS

DEFINICIÓN DE TÉRMINOS

1.1 Pérdida de energía

También 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.

La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de presión en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.

Existen diversos métodos, obtenidas empíricamente, para calcular la pérdida de carga a lo largo de tuberías y canales abiertos:

Ecuación de Darcy-Weisbach. Factor de fricción de Darcy. Ecuación de Colebrook-White. Fórmula de Hazen-Williams. Diagrama de Moody. Fórmula de Bazin.

Las pérdidas de carga en una tubería son debidas a:

1º Pérdida debida a la entrada del agua en la tubería

2º Idem. por rozamiento a lo largo de la tubería.

3º Idem. por desviación en los codos.

4º Idem. en los cambios de sección.

5º Idem. en las llaves.

6º Idem. en las bifurcaciones.

7º Idem. por velocidad necesaria para el desagüe.

1.2. Línea piezométrica

Línea piezométrica 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.

1.3. Línea de energía

También es llamada línea de carga. La energía total del flujo en cualquier sección, con respecto a un 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. En ausencia de pérdidas de energía, la línea de carga se mantendrá horizontal, aun 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.

En la figura se señalan tres líneas muy importantes:

• Línea horizontal.

• Línea EE’ o línea de energía.

• Línea ZZ’ o línea piezométrica.

La "línea de energía" es la formada por la suma en cada punto de las tres alturas debidas a la energía cinética, a la presión y a la energía potencial. La "línea piezométrica" ZZ’ es la resultante de sumar en cada punto las alturas h1 y H, y se corresponde con el lugar geométrico de los niveles de agua de los tubos piezométricos conectados a la tubería.

La diferencia X de altura entre la línea de energía y la línea horizontal representa la pérdida de carga por rozamiento entre los puntos A y B. La suma (H + h1 + h2 + X) en cada punto dará lugar a una "línea horizontal" de acuerdo con el teorema de Bernouilli. Si los conceptos anteriores los aplicamos a una tubería de presión, obtenemos esta imagen.

La diferencia de alturas A entre las respectivas líneas de energía de la tubería junto a la turbina y la del desagüe, nos da la ALTURA DE SALTO APROVECHABLE, ya que representa la energía potencial utilizable, a la que habrá que restar la pérdida de la turbina, según el rendimiento de ésta.

La diferencia de alturas B entre líneas piezométricas, representa la energía potencial de presión.

Pérdida de Cargas Locales

Además de las pérdidas de energía por fricción, hay otras pérdidas "menores" asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren localmente en el disturbio del flujo.

Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo provocado por curvaturas o cambios en la sección. Son llamadas pérdidas menores porque pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales.

Sin embargo en tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas locales será grande y deberán tenerse en cuenta.

Las pérdidas menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad.

Es común expresar las pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g:

Con hL la pérdida menor y K el coeficiente de pérdida. Valores de K para todo tipo de accesorio, son encontrados en los textos de fluidos e hidráulica.

Pérdida en una expansión súbita

Un ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de P1 a P2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2

Separación y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo más pequeño y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presión P0 actúa en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 = P1. Aislando el cuerpo del fluido entre las secciones (1) y (2), las fuerzas que actúan sobre el fluido son las que se muestran en la figura 2.

Ábaco de Moody. Tuberías comerciales

Es válido para todos los flujos incompresibles, permanentes en tubos de cualquier forma de sección de flujo

Se basa en datos experimentales con un margen de error no más allá de un 5% (el gráfico original fue propuesto por STANTON)

1.Partes principales

Está construido en papel doblemente logarítmico.

Es un diagrama adimensional, utilizable con cualquier sistema coherente de unidades

Incorpora una curva de trazos que separa la zona de transición de la zona completa de turbulencia

2. Es la representación gráfica de dos ecuaciones:

Pouseuille:

En papel logarítmico es una recta. La prolongación dibujada a trazos en la zona crítica.

Colebrook-White

En esta ecuación =f(Re, k/D), función de 2 variables Se representa por una familia de curvas (asintóticas)

3. Los valores de k que se necesitan para leer el diagrama pueden obtenerse de la tabla siguiente:

Tipo de tubería o revestimiento (nuevo)

Valores de o k en cm

Intervalo Valor de diseño

Latón 0.00015 0.00015

Cobre 0.00015 0.00015

Hormigón 0.03-3 0.012

Fundición desnuda 0.012-0.06 0.024

Fundición asfaltada 0.006-0.018 0.012

Fundición revestida de cemento

0.00024 0.00024

Fundición revestimiento bituminoso

0.00024 0.00024

Fundición centrifugada 0.0003 0.0003

Hierro galvanizado 0.006-0.024 0.015

Hierro forjado 0.003-0.009 0.006

Acero comercial y soldado 0.003-0.009 0.006

Acero roblonado 0.09-0.9 0.18

Tubo estirado 0.00024 0.00024

Madera 0.018-0.9 0.6

Los valores de la tabla son un tanto imprecisos, por lo cual el valor de obtenido, que puede tener un error de E5 por 100 en tuberías lisas y puede llegar a E10 por 100 en tuberías rugosas.

En muchos problemas puede obtenerse una primera aproximación haciendo =0.02 a 0.03

En un tubo rectilíneo, la influencia del cambio de sección se hace sentir hasta un recorrido igual a 10 veces al diámetro (60 veces si el flujo es laminar)

4. Resumen del procedimiento para el cálculo de las pérdidas primarias, Hrp

Cálculo de Hp por el diagrama de Moody conocidos Q, L, D, v, k

Según el material de la tubería se toma k de la tabla

Se calcula la rugosidad relativa k/D

Se calcula Re= vD/v

Se lee en el diagrama de Moody

Este valor de se lleva a la ecuación de Darcy-Weisbach y se calcula Hrp

5. Ventajas

Resuelve todos los problemas de pérdidas de carga primarias en tuberías con cualquier diámetro, cualquier material de tubería y cualquier caudal

Se usa para determinar el coeficiente , el cual luego se lleva a la ecuación de Darcy-Weisbach