Sistemas de Tuberias en Serie

CAPITULO 11: SISTEMAS DE TUBERIAS EN SERIE OBJETIVOS 1. Identificar sistemas de tuberías en serie 2. Determinar si un sistema es de clase I, II o III 3. Calcular la pérdida total de energía, diferencias de elevación o diferencias de presión para sistemas de clase I con cualquier combinación de tuberías, pérdidas menores, bombas o depósitos cuando el sistema conduce cierto flujo volumétrico. 4. Determinar, para sistemas de clase II, la velocidad o el flujo volumétrico a través del sistema, con diferencias de presión y alturas de elevación conocidas. 5. Determinar, para sistemas de clase clase III, el tamaño de de tubería MARCO TEÓRICO 

Un sistema de tuberías en serie es aquel donde el fluido sigue una trayectoria única a través de él.



Desarrollaremos los conceptos de flujo volumétrico, ecuación de continuidad y el Número de Reynolds.



La manera de calcular las pérdidas de energía debido a la fricción.



También se explicara varios tipos de perdidas menores para el movimiento de los fluidos a través de las válvulas y acoplamientos y para cambios en la velocidad o dirección del flujo.

Se identifican 3 clases de sistemas de tuberías en serie: Clase I: 



Un sistema definido en términos de tamaño de las tuberías, tipo de pérdidas menores y el flujo volumétrico del fluido. Cálculo de la presión en algún punto para determinar la carga total de la bomba o la elevación de una fuente de fluido.

Clase II: 



Sistema descrito en términos de sus elevaciones, tamaño de tuberías, t uberías, válvulas y acoplamientos, y la caída de presión permisibles en puntos clave. Se desea conocer el flujo volumétrico del fluido.

Clase III:



Se conoce el arreglo general del sistema, el flujo volumétrico se calculará el tamaño de la tubería que se requiere para conducir un flujo volumétrico de algún fluido.

PROBLEMA MODELO 11.1, del libro de Robert L. Mott Calcule la potencia que suministra la bomba de la figura, si sabemos que su eficiencia es 76%. Hay un flujo de 54.0 m 3/h de alcohol metílico a 25° C. La línea se succión es una tubería de acero estándar de 4 pulgadas, cedula 40 y de 15m de largo. La longitud total de la tubería de acero de 2 pulgadas cedula 40 que constituye la línea de descarga es de 200m. Suponga que la entrada desde el almacenamiento 1 es a través de una entrada de bordes cuadrados y que los codos son estándar. La válvula está abierta por completo y es de tipo globo.

Figura 11.2

                                 Hay seis componentes de la pérdida total de energía:

s: significa la línea de succión d: significa la línea de descarga

                           

(Perdida en la entrada) (Perdida por fricción en la línea de succión)

  (Válvula) (Dos codos a 90°)

(Perdida por fricción en la línea de descarga)

(Perdida en la salida)

  /h x



  = 0.015



 /s

Para la línea de succión de tubería estándar de 4 pulg cedula 40, la velocidad será:

             

Para la longitud total de la tubería de acero de 2 pulg cedula 40, la velocidad será:

            

Ahora hallemos el Numero de Reynolds para cada una de ellas: Para el alcohol metílico 25° C

        



Para línea de succión:

                             Tubo de acero

= 4.6 x

m

f = 0.018218 

Para la longitud Total:

                            Tubo de acero

 = 4.6 x

m

f = 0.01978





            

(Perdida en la entrada) , para una entrada de bordes cuadradas, K = 0.5

(Perdida por fricción en la línea de succión)   = 0.44798m



(Válvula, la razón de longitud equivalente para una válvula de globo

abierta por completo es 340 según la tabla 10.4)



   







 

(Dos codos a 90°),

 = 30 para codos estándar 90°.

                                  (Perdida por fricción en la línea de descarga)

(Perdida en la salida)

m

            Potencia:

               PROBLEMA MODELO 11.2, del libro de Robert L. Mott Una tubería de acero de 6 pulgadas cédula 40, en posición horizontal, debe conducir aceite lubricante con una caída máxima de presión de 60 kPa por cada 100m de tubería. El aceite tiene una gravedad específica de 0.88 y viscosidad dinámica de 9.5x10 -3 Pa·s. Determine el flujo volumétrico máximo permisible de aceite.

FIGURA 11.2.

Solución Analizando en problema se trata de tubería en serie de clase II, ya que se desconoce el flujo volumétrico, así como la velocidad de flujo.

Se emplea el método II-A porque en el sistema solo existen perdidas por fricción.

Paso 1 Escribir la ecuación de la energía para el sistema Paso 2 Resolver para la pérdida de energía limitante, hL. Pasó 3 Determinar los siguientes valores del sistema: Diámetro del flujo del tubo, D Rugosidad relativa D/ϵ Longitud del tubo L Viscosidad cinemática del flujo ⱴ, del cual utilizaremos la ecuación ⱴ=ƞ/ρ. Pasó 4 Emplear la siguiente ecuación para calcular el flujo volumétrico limitante:

√ 

Q=-2.22D2

√ 

log(1/(3.7D/ϵ)+1.784ⱴ/(D

))…………….. (Ecuación 11-3)

Resultados: Empleamos los puntos 1 y 2mostrados en la FIGURA Nº2 para escribir la ecuación de la energía:

P1/ϒ + z1 + V12/2g- hL = p2/ϒ +z2 + V22/2g

Cancelamos algunos términos debido a que z 1=z2 y V1=V2. Así la ecuación se transforma en: P1/ϒ - hL = p2/ϒ Después, resolvemos en forma algebraica para hL y se evalúa el resultado:

hL= (p1 – p2)/ϒ =60KN/m2 x m3/(0.88)(9.81KN)=6.95m

Otros datos necesarios son:

Diámetro de flujo del tubo, D= 0.1541m (apéndice F). Rugosidad de la pared del tubo ϵ = 4.6 X 10-5m (TABLA 9.1 del libro de R. Mott) Rugosidad relativa, D/ϵ = (0.1541m)/(4.6 X 10-5)=3350. Longitud del tubo, L = 100m.

Viscosidad cinemática del fluido, se emplea para hallar la densidad del aceite.

3

3

ρ = (0.88) (1000kg/m ) = 880kg/m

Por tanto, ⱴ = ƞ/ρ = (9.5x10-3 Pa·s) (880kg/m3) =1.08 X 105 m2/s

Sustituimos estos valores en la ecuación (1), hay que asegurarnos de que todos los datos se encuentren en unidades coherentes del SI, para este problema.

√  √ 

Q = -2.22 (0.1541)2

log (1/(3.7x3350)+(1.784x1.08x10-5)/(0.1541x

Q=0.057 m3/s

Comentario

X

)

Así, en la tasa de flujo volumétrico del aceite que circula por este tubo no es mayor que 0.057 m3/s, la caída de presión en una longitud de 100m no excederá 60kPa.

1. Escriba la ecuación de energía del sistema. 2. Evalúe las cantidades conocidas tales como las cabezas de presión y las cabezas de elevación. 3. Exprese las pérdidas de energía en términos de la velocidad desconocida “v” y el factor de fricción “f”.

4. 5. 6. 7.

Despeje la velocidad en términos de “f”.

Exprese el número de Reynolds en términos de la velocidad. Calcule la rugosidad relativa D/€. Seleccione un valor de prueba “f” basado en el valor conocido D/€ y un numero de

Reynolds en el rango de turbulencia. 8. Calcule la velocidad, utilizando la ecuación del paso 4. 9. Calcule el número de Reynolds, utilizando la ecuación del paso 5. 10. Evalúe el “f” para el numero de Reynolds del paso 9 y el valor conocido de D/€, utilizando el diagrama de Moody. 11. Si el nuevo valor de “f” es diferente del valor utilizando el paso 8, repita los pasos 8 a 11 utilizando el nuevo valor de “f”.

12. Si no se presenta ningún cambio significativo en “f” del valor asumido, entonces la velocidad que se encontró en el paso 8 es correcta. PROBLEMA MODELO 11.4, del libro de Robert L. Mott Determine el flujo volumétrico máximo permisible de aceite. Desde un depósito elevado se abastece de agua a un canal de regadío, como se muestra en la figura. Calcule el flujo volumétrico del agua en el canal, si ésta tiene 80°F. Desarrollaremos con los pasos mencionados líneas atrás. 1° Escriba la ecuación de energía del sistema.

            2° Evalúe las cantidades conocidas tales como las cabezas de presión y las cabezas de elevación.

Fi ura 11.4 A 10 pies

Codo de radio largo

Válvula de compuerta, abierta a la mitad

30 ies Tubería de acero de 4 pulg

B 300 pies

                 , y

es aproximadamente igual a cero, entonces

(1)

Nótese que la corriente de agua en el punto B tiene la misma velocidad que la del interior de la tubería.

 

Se sabe que es igual a 40 pies. Pero las pérdidas de energía que conforman el dependen de todas de la velocidad desconocida . Ahora, realice el tercer paso del procedimiento de la solución.





3° Exprese las pérdidas de energía en términos de la velocidad desconocida “v” y el factor de fricción “f”.

                              

Pérdida en la entrada Pérdida or fricción en la tubería

Codo de radio largo

Válvula de compuerta abierta a la mitad

Usando la tabla 10.5, encontramos que para una tubería de acero de 4 pulg,

 

=0.017. Entonces, tenemos

      (2)

4° Despeje la velocidad en términos de “f”.

Reemplazando (1) en (2) se obtiene

                                       

     √⁄

(3)

5° Exprese el número de Reynolds en términos de la velocidad.

     

(4)

6° Calcule la rugosidad relativa D/€.

(Hallar el € según tabla 8.2)

      Para un NR

igual a 4000

(5)

7° Seleccione un valor de prueba “f” basado en el valor conocido D/€ y un numero de Reynolds en el rango de turbulencia.   Para un NR igual a 2000

Debido a que

 , el valor mas bajo posible de  es 0.0155 para números de Reynolds muy 

altos, y el más alto posibles es de 0.039 para un numero de Reynolds igual a 4000. El valor inicial para el intento debe estar en este rango. Emplee , y concluya los pasos 8 y 9.

  

8° Calcule la velocidad, utilizando la ecuación del paso 4. Con las ecuaciones (3) y (4) encontramos los valores de la velocidad y el número de Reynolds

 √⁄  √⁄ ⁄ 9° Calcule el número de Reynolds, utilizando la ecuación del paso 5.

     10° Evalúe el “f” para el numero de Reynolds del paso 9 y el valor conocido de D/€, utilizando el

diagrama de Moody.

  

0.0175

11° Si el nuevo valor de “f” es diferente del valor utilizando el paso 8, repita los pasos 8 a 11 utilizando el nuevo valor de “f”.

    √⁄  √⁄ ⁄      Con

12° Si no se presenta ningún cambio significativo en “f” del valor asumido, entonces la velocidad que se encontró en el paso 8 es correcta. → El valor nuevo de

  ⁄

 

es de 0.0175, y el valor calculado para



 es correcto. Por tanto, tenemos:

PROBLEMA MODELO 11.5, del libro de Robert L. Mott Calcule el tamaño que se requiere de una tubería nueva y limpia cedula 40 que conducirá 0.5 pie3/s de agua a 60° F, y restrinja la caída de presión a 2.00 psi en una longitud de 100 pies de tubería horizontal. D= ¿?

L= 100 pies

1° se calculara la perdida de energía limitante. Observe que la diferencia de elevación es igual a cero. Entonces se concluye que:

              Pero

 . Entonces, tenemos

⁄          ⁄   ⁄ 2° usaremos el diámetro de flujo más pequeño de una tubería, con el fin de limitar la caída de la presión al valor que se desea. Lo normal es que se especifique una tubería estándar u otra que tenga un diámetro interno tan grande como dicho valor limitante.

              [     ]  ------------------------------ ecuación 11.8   ⁄       ⁄

  

    ⁄

Viscosidad cinemática

               () 



INTEGRANTES:   

RAFAEL PALACIOS PAOLA LUDEÑA MÉNDEZ LUIS FELIPE DE LA CRUZ ARMIJO

ASIGNATURA: MECANICA DE FLUIDOS TRABAJO:

SISTEMAS DE TUBERIAS EN SERIE

DOCENTE: ISAAC IGUIA ESPINOZA CICLO: IV