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

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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