Pérdidas de carga
Cuando un fluido fluye por una tubería, u otro dispositivo, tienen lugar pérdidas de energía debido a factores tales como:
la fricción interna en el fluido debido a la viscosidad,
la presencia de accesorios. )21
(2
22
2121 ZZg
VVpp
•La fricción en el fluido en movimiento es un componente importante de la pérdida de energía en un conducto. Es proporcional a la energía cinética del flujo y a la relación longitud/diámetro del conducto.
•En la mayor parte de los sistemas de flujo, la pérdida de energía primaria se debe a la fricción de conducto. Los demás tipos de pérdidas son por lo general comparativamente pequeñas, por ello estas pérdidas suelen ser consideradas como “pérdidas menores”. Estas ocurren cuando hay dispositivos que interfieren el flujo: valvulas, reductores, codos, etc.
PERDIDAS DE CARGA POR ACCESORIOS
OBJETIVOS
1. -Determinar la perdidas de cargas secundarias en un tramo de tubería
2.- Determinar rugosidades relativas y absolutas en tuberías mediante
mediciones experimentales.
3.- Encontrar coeficientes singulares de accesorios hidráulicos
INTRODUCCIÓN
A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo,
ocurren pérdidas de energía; tales perdidas traen como resultado una
disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. Estas perdidas
de energía son debido a factores tales como:
la fricción interna en el fluido debido a la viscosidad , la presencia de
accesorios ( válvulas, reductores, codos, etc.).
El calculo de las perdidas de carga en las tuberías es parte de la practica diaria
del ingeniero instalador y proyectista , en los sistemas de flujo de petróleo, gas
aceites lubricantes, en los sistemas de refrigeración, y aire acondicionado ,
redes de suministro de agua , en los sistemas de aspiración e impulsión de las
bombas ,etc.
PÉRDIDAS PRIMARIAS
• Son las perdidas de superficie en el contacto del fluido con
la tubería (capa limite) , rozamiento de algunas capas de fluido con otras
(régimen laminar) o de las partículas del fluido entre si (régimen
turbulento) .
• Tienen lugar en flujo uniforme , por tanto en los tramos de tuberías de
sección constante.
PÉRDIDAS SECUNDARIAS
Son las perdidas de forma que tienen lugar en los cambios de sección y
dirección de la corriente, en las secciones de ensanchamiento ,
codos ,diafragmas, válvulas ,en general en todo tipo de accesorios de tuberías .
Estos elementos producen una perturbación de la corriente que originan
remolinos y desprendimientos que intensifican las perdidas .
Si la conducción es larga (oleoductos, gasoductos) las perdidas secundarias
tiene poca importancia (de ahí el nombre de perdidas secundarias), pudiendo a
veces despreciarse; o bien se tienen en cuenta al final sumando un 5 a 10 por
ciento de las perdidas principales halladas.
1 2V.C.
V1, u1 , p1 D ,z1
V2, u2
, p2 D ,z2
hA
hL
hR
hL
Bomba
Válvula
Turbina
Codo
Flujo de fluidos en tuberías
Tipos de flujo
•Coeficiente de fricción•No. de Reynolds
•Rugosidad relativa•Ec. Darcy
Pérdidas de carga
en accesorios
por fricciónFlujo internoFlujo externo
laminar turbulentoReynolds
Flujo de fluidos
< 2100>
¿caída de presión?
¿diámetro mínimo?
¿Caudal?
Flujo en tuberíasSituaciones de cálculo
tuberías
Si la conducción es corta y complicada ( flujo de gasolina y de aire en un
carburador , etc) las perdidas secundarias juegan un papel preponderante,
pudiendo incluso despreciarse las perdidas primarias en comparación con las
perdidas secundarias.
Flujo de fluidos en tuberías
Tipos de flujo
•Coeficiente de fricción•No. de Reynolds
•Rugosidad relativa•Ec. Darcy
Pérdidas de carga
en accesorios
por fricciónFlujo internoFlujo externo
laminar turbulentoReynolds
Flujo de fluidos
< 2100>
¿caída de presión?
¿diámetro mínimo?
¿Caudal?
Flujo en tuberíasSituaciones de cálculo
tuberías
ECUACIÓN DE ENERGÍA
Pérdidas de carga
Pérdidas de carga por fricción
Si consideramos un flujo permanente e incompresible en una tubería horizontal
de diámetro uniforme, la ecuación de energía aplicada al V.C. Puede
disponerse en la siguiente forma:
PTB ghghgZVp
ghgZVp
2
222
1
211
22
Turbina
BombaFlujo
2
1
hT
hb
hP
PTB ghghgZVp
ghgZVp 2
222
1
211
22
Ecuación de energía:
2
222
2gZ
Vp
1
211
2gZ
Vp
La energía perdida es la suma de:
hp = hf + ha
1 2V.C.
V1, u1 , p1 D ,z1
V2, u2
, p2 D ,z2
dmdQ
dmdQ
uuzzgVVpp
)()(2 1221
22
2121
0 0
2
2VDl
fh f (J/kg) o gV
Dl
fh f 2
2
(m)
DeVD
fDl
Vp
,2
Pérdidas de carga en accesorios
2
2Vkha
2
2VDL
fh ea
DL
fk e
Coeficiente K Longitud Equivalente
Equivalencia entre ambos métodos
Ecuación de Darcy
Las variables influyentes que intervienen en el proceso son:
p caída de presión
V velocidad media de flujo
densidad del fluido
viscosidad del fluido
D diámetro interno del conducto
L longitud del tramo considerado
e rugosidad de la tubería
Coeficiente de fricción
Estas variables pueden ser agrupadas en los siguientes parámetros adimensionales:
Diagrama de Moody
Diagrama de Moody
No. de Reynolds
f = f(Re,)
Flujo turbulento Ecuación de Colebrook
VD
Re De
Re64f
Flujo laminar
Rugosidad relativa
Moody
ff Re
51.27.31
log21
Tipo de singularidad K
.034
Re= 30000
Válvula de compuerta totalmente abierta 0,2
Válvula de compuerta mitad abierta 5,6
Curva de 90º 1,0
Curva de 45º 0,4
Válvula de pie 2,5
Emboque (entrada en una tubería) 0,5
Salida de una tubería 1,0
Ensanchamiento brusco (1-(D1/D2)2)2
Reducción brusca de sección
(Contracción)0,5(1-(D1/D2)2)2
ACCESORIOS DE TUBERÍAS
Accesorios
Los accesorios se utilizan en las conducciones de las tuberías en donde estas
pueden sufrir un cambio de dirección, estrechamientos, ensanchamientos,
ramificaciones; en fin, todo lo que sea necesario para el proceso.
Existen accesorios muy diversos cuyos diámetros y roscas coinciden con los
nominales de las tuberías comerciales pudiendo ser estas macho o hembra.
Existen combinaciones de accesorios en los que el cambio de dirección ,
estrechamiento, ensanchamiento, ramificación , etc. están presentes e inclusive
hay acoplamientos y uniones los cuales no ofrecen un cambio en la resistencia
del flujo.
Es importante mencionar también que las tuberías están sometidas a
variaciones de temperatura lo que lleva a que el material se dilate y se
requieran utilizar juntas de expansión con empaquetadura, fuelles o manguitos
de metal flexible.
TIPOS.
Entre los tipos de accesorios mas comunes se puede mencionar:
• Bridas
• Codos
• Tes
• Reducciones
• Cuellos o acoples
• Válvulas
• Empacaduras
• niples
CARACTERÍSTICAS
Entre las características se encuentran:
Diámetros. Es la medida de un accesorio o diámetro nominal mediante el cual
se identifica al mismo y depende de las especificaciones técnicas exigidas.
Resistencia. Es la capacidad de tensión en libras o en kilogramos que puede
aportar un determinado accesorio en plena operatividad.
Aleación. Es el material o conjunto de materiales del cual esta hecho un
accesorio de tubería.
Espesor. Es el grosor que posee la pared del accesorio de acuerdo a las
normas y especificaciones establecidas.
VÁLVULAS
Dispositivo mecánico empleado para controlar el flujo de un gas o un líquido.
El tamaño de estos mecanismos va desde:
• Baja presión suelen ser de: latón, hierro fundido o plástico.
• Alta presión son de: acero fundido o forjado.
• En el caso de que el fluido sea corrosivo puede ser necesario emplear
aleaciones, como acero inoxidable.
Válvula de control.
La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento
en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta
como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de
controlar un caudal en una forma determinada.
Partes de la válvula de control.
• Actuador
• Cuerpo de la válvula
CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL
Dependiendo del diseño del cuerpo y del movimiento del obturador.
a. Válvulas de movimientos
lineal o recíproco
Son aquellas en las cuales el
obturador se mueve en la
dirección de su propio eje.
1. Válvula de globo
2. Válvula en ángulo
3. Válvula de compuerta
4. Válvula en Y
b. Válvulas de movimiento o vástago
rotatorio
El obturador presenta un movimiento
circular, dentro de esta clasificación
tenemos.
1. Válvula de mariposa
2. Válvula de bola
3. Válvula de Check
5. Válvula de cuerpo partido
6. Válvula Saunders
7. Válvula de tres vías
8. Válvula de jaula
Válvula de globo
• El cierre se logra por medio de un disco o tapón que cierra o corta el
paso del fluido.
• Pueden ser operadas continuamente.
• Están construidas de tal modo que cuando el flujo pasa, produce un
cambio en la dirección e incrementa su resistencia de forma gradual
según la posición del cierre.
• Para diámetros mayores de 300 mm, estas válvulas son poco usadas,
debido al gran esfuerzo que se requiere para operarlas.
PÉRDIDAS:
VÁLVULA EN ÁNGULO
Esta válvula permite obtener un flujo de caudal sin excesivas turbulencias y es
adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable, debido a las
características del fluido o por la excesiva presión diferencial.
El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para
trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen
sólidos en suspensión.
Válvula de compuerta
Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial y
que se mueve verticalmente al flujo del fluido.
Es ideal para:
• El control todo-nada ya que en posiciones intermedias tiende a
bloquearse.
• Para uso poco frecuente.
• Para resistencia mínima a la circulación.
• Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Válvula en Y
- Es adecuada como válvula de cierre y de control.
- Como válvula todo-nada se caracteriza por presentar baja pérdida de
carga y como válvula de control una gran capacidad de caudal.
-
Válvula de check
También llamadas de retención o de no retorno, tienen el fin de evitar la
descarga del agua en dirección a la bomba, esto evita daños por la rotación
inversa de la bomba, además de impedir el vaciado de la tubería permitiendo
que la puesta en marcha del sistema sea más rápida y segura.
Esta válvula actúa automáticamente por la acción de las presiones en los dos
sentidos posibilitando el cierre y apertura.
No requiere mantenimiento, solamente chequear ocasionalmente si se traba.
Válvula de mariposa
- El cuerpo está formado por un anillo dentro del
cual gira transversalmente un disco circular. Se
fabrican en gran variedad de modelos,
materiales y en diámetros mayores a 50 mm.
- Las válvulas de mariposa se emplean para el
control de grandes caudales de fluidos a baja
presión.
Ventaja: Permiten manipulaciones constantes con mínimo desgaste, permiten
utilizarla como reguladoras de flujo, ligera de peso, compacta, bajo costo,
requiere poco mantenimiento, numero mínimo de piezas móviles, no tiene
bolas o cavidades, se limpia por si sola.
Desventajas: alta torsión para accionarla, capacidad limitada para caída de
presión, propensa a la cavitación.
Válvula de bola
- Se emplea principalmente en el control de fluidos negros, o con gran
porcentaje de sólidos en suspensión.
• Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola
taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación
directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y
cierra el conducto
Recomendada para
• Para servicio de conducción y corte, sin
estrangulación.
• Cuando se requiere apertura rápida.
• Para temperaturas moderadas.
• Cuando se necesita resistencia mínima a la
circulación.
Aplicaciones
• Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas.
BRIDAS
Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores
de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión
se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería
y la otra al equipo o accesorio a ser conectado
TIPOS
Brida con cuello para soldar es utilizada con el fin de minimizar el numero de
soldaduras en pequeñas piezas a la vez que contribuya a contrarrestar la
corrosión en la junta.
Brida con boquilla para soldar.
Brida deslizante es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier
extremo del tubo antes de ser soldada y se encuentra en el mercado con cara
plana, cara levantada, borde y ranura, macho y hembra y de orificio requiere
soldadura por ambos lados.
Brida roscada. pueden ser instaladas sin necesidad de soldadura y se utilizan
en líneas con fluidos con temperaturas moderadas, baja presión y poca
corrosión, no es adecuada para servicios que impliquen fatigas térmicas
CODOS
• Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección
del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o
dibujos de tuberías.
TIPOS. Los codos estándar son aquellos que vienen listos para la pre-
fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una sola pieza con
características especificas y son:
• Codos estándar de 45°
• Codos estándar de 90°
• Codos estándar de 180°
TES
Son accesorios que se fabrican de diferentes tipos de materiales, aleaciones,
diámetros y schedulle y se utiliza para efectuar fabricación en líneas de tubería.
TIPOS. Diámetros iguales o te de recta. Reductora con dos orificios de igual
diámetro y uno desigual.
CARACTERÍSTICAS.
• Diámetro. Las tes existen en diámetros desde ¼'' " hasta 72'' " en el tipo
Fabricación.
• Aleación. Las mas usadas en la fabricación son: acero al carbono, acero
inoxidable, galvanizado, etc.
REDUCCIONES
Son accesorios de forma cónica, fabricadas de diversos materiales y
aleaciones. Se utilizan para disminuir el volumen del fluido a través de las
líneas de tuberías.
TIPOS.
Estándar concéntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza para disminuir
el caudal del fluido aumentando su velocidad, manteniendo su eje.
Estándar excéntrica. Es un accesorio reductor que se utiliza para disminuir el
caudal del fluido en la línea aumentando su velocidad perdiendo su eje.
CONEXIONES DE TUBERIAS Y ACCESORIOS
***** 0 ******
ECUACIÓN DE ENERGÍA - PÉRDIDAS DE CARGA
Ecuación de energía:
La energía perdida es la suma de:
hp = hf + ha
Pérdidas de carga por fricción
Si consideramos un flujo permanente e incompresible en una tubería horizontal
de diámetro uniforme, la ecuación de energía aplicada al V.C. Puede
disponerse en la siguiente forma:
pTB ghghgZVp
ghgZVp
2
222
1
211
22
Turbina
BombaFlujo
2
1
hT
hb
hP
2
222
2gZ
Vp
1
211
2gZ
Vp
1 2V.C.
V1, u1 , p1 D ,z1
V2, u2
, p2 D ,z2
dmdQ
Pérdidas de carga por fricción
Como: la sección del tubo es constante y su posición es horizontal; se tiene:
Los dos términos del segundo miembro de esta ecuación se agrupan en un
solo término denominado pérdidas de carga pro fricción.
Ecuación de Darcy
Las variables influyentes que intervienen en el proceso son:
p caída de presión
V velocidad media de flujo
densidad del fluido
viscosidad del fluido
D diámetro interno del conducto
L longitud del tramo considerado
e rugosidad de la tubería
dmdQ
uuzzgVVpp
)()(2 1221
22
2121
0 0
2
2VDl
fh f (J/kg) o
gV
Dl
fh f 2
2
(m)
De
DlVD
FVp
,,2
DeVD
fDl
Vp
,2
Estas variables pueden ser agrupadas en los siguientes parámetros adimensionales:
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
Diagrama de Moody
No. de Reynolds
f = f(Re,)
Flujo turbulento Ecuación de Colebrook
VD
Re De
Re64f
Flujo laminar
Rugosidad relativa
Moody
ff Re
51.27.31
log21
DIAGRAMA DE MODY
Pérdida de carga en accesorios
.034
Re= 30000
2
2Vkha
2
2VDL
fh ea
DL
fk e
Coeficiente K Longitud Equivalente
Equivalencia entre ambos métodos
Diagrama de Moody
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