Fundamento teórico flujo de fluidos

Fundamento teórico Cuando se trata de conductos cerrados, los tipo de energía que pueden perderse son la energía de presión, la energía cinética si el área de la sección transversal de la tubería es variable, y la energía potencial que depende de la posición (en caso de ser una tubería en posición horizontal esta energía es nula).

2.1. 2.1.

Pérd Pérdid idaa de Ener Energí gíaa por por Fri Fricc cció iónn La energía de presión expresada como energía por unidad de peso de fluido tiene unidades de longitud (h); la perdida de cabeza por fricción es:

hf

l v

2

:= f ⋅ ⋅

d 2⋅ g

Donde: hf = energía por unidad de peso perdida por fricción. f = factor de fricción de darcy. l = longitud del tramo de la tubería en el cual se pierde hf. d = diámetro de la tubería. v = velocidad media. Se sabe que el factor de fricción f  es una función compleja del número de Reynolds y de la rugosidad relativa.



f := F Re ,

ks

 

d

Existen diversas correlaciones que nos permiten determinar el valor del factor de fricción dependiendo del número de reynolds y por consecuencia del flujo y tipo de fluido, así como de las características de la tubería. Correlaciones del factor de fricción

f 

Flujo Laminar  Ecuación de Hagen-Poiseuille:

f  :=

64 Re

Flujo Turbulento Flujo Hidráulicamente Liso:

ks

≤ 0.305δ´

Donde: δ´: es el espesor de la subcapa laminar viscosa. ks: rugosidad absoluta. Ecuación de Blassius:

f  :=

0.316 0.25

Re Ecuación de Prandtl-Von Karman:

1 f 

:= 2⋅ log(Re ) ⋅

f 

− 0. 8

Flujo Hidráulicamente Rugoso

Tamaño de la Rugosidad:

ks

> 6. 10⋅ δ´

Ecuación de Prandtl-Von Karman:

1 f 

:= 2⋅ log 

  + 1.1  ks   d

Flujo Transicional 

Tamaño de la Rugosidad:

0.305⋅ δ´

< ks ≤ 6.10δ´

Ecuación de Colebrook-White:

1 f  2.2.

:= −2 log

2.51 Re⋅ f 

+

ks

⋅ 3.7d

 

Pérdidas de Energía por Nivel En cuando a la determinación de perdidas de energías potencial la expresión es la siguiente: Perdida de energía por nivel =

g.Δz

Donde: g es la constante gravitatoria. Δz es la diferencia de nivel (salida-entrada) en una tubería

2.3.

Pérdidas de Energía por variación de Área Ocurre cuando el área de la sección transversal de la tubería varía, esto genera un aumento o disminución de la velocidad lineal promedio del fluido, y como efecto genera un cambio o variación en la energía cinética que influye directamente en la perdida de presión del tramo en el que ocurre la variación. Perdida de energía por variación del área =

2.4.

Δv2/2

Pérdidas secundarias por accesorios Los accesorios en instalaciones de tuberías casi siempre son indispensables, usualmente se requieren codos para empalmar dos o mas tuberías, válvulas que permitan controlar los flujos, así como de instrumentos de control que nos permiten llevar un control mas automático del sistema, sin embargo el uso de todos estos también generan perdidas de energías que son manifestadas como caídas de presión en el lugar donde dichos equipos son instalados. Por lo cual cada vez que se coloca un accesorio debemos tener en cuenta que este aumenta la caída de  presión en el tramo que es instalado e influye a su vez en la caída de presión total del transporte de un fluido. Existe una ecuación para determinar el la perdida de energía por fricción que estos accesorios ocasionan al ser instalados en un sistema de transporte de fluidos por tuberías.

hfs := k⋅ 

v

2

2g

hfs := f ⋅ 

Leq v D

⋅

2

2g

Ambas expresiones muestran que se puede determinar la perdida por fricción, la primera contiene al factor k que es característico para cada tipo de material, sus dimensiones y depende del flujo al que este operando, la determinación de hfs se realiza mediante lectura de tablas que se disponen con el diseño del equipo al adquirirlo. La segunda ecuación es para evaluar el factor de fricción dependiendo del tipo de flujo, y se usa (Leq/D) que es la longitud equivalente en diámetros de tubo, que es darle una equivalencia a una tubería de longitud Leq y diámetro D, al accesorio para poder utilizar la expresión de perdidas de carga en tuberías, cada accesorio indica por especificaciones de diseño la relación (Leq/D). Válvulas de control En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador. En la siguiente figura puede verse una válvula de control típica compuesta básicamente del cuerpo y del servomotor.

El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar  en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor. Tipos de válvulas Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación. Válvula de globo En las siguientes figuras, a, b y c, se aprecian los distintos tipos de válvulas de globo, de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor  tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la  presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

Válvula en ángulo Esta válvula representada en la siguiente figura permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva

 presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar  con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Válvula de tres vías Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos (válvulas mezcladoras) o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida (válvulas diversoras). Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor.

Válvula de jaula Consiste en un obturador cilíndrico que se desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por un fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador está contenido dentro de la  jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.

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. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total.

Válvula en Y En la siguiente figura puede verse su forma. Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todonada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.

Válvula de cuerpo partido Esta válvula es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos.

Válvula Saunders En la válvula Saunders el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o de plástico para trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en  particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.

Válvula de compresión Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, por ejemplo, un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplican fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en suspensión.

En el experimento: Pérdidas primarias: Utilizamos el caudal de:15 LPM,25 LPM,40 LPM ➢

Tenemos el material de acero, PVC Y hierro galvanizado medimos la longitud y diámetro de cada uno.

➢

Hallamos el número de Reynolds.

Pérdidas secundarias: ➢

Utilizamos como accesorios los codos y las válvulas de globo , de compuerta y de bola

➢

Utilizamos el caudal de 15,25 y 40 LPM

➢

Conocemos el diámetro , hallamos el Reynolds