18 septiembre 2011

Aprendiendo a diseñar tuberías de forma eficiente (1ª PARTE)


El cálculo de tuberías es algo que muchas veces se obvia en las instalaciones, y en otras ocasiones se recurre a programas de cálculo estandarizados que dan buenas aproximaciones pero limitadas a aplicaciones muy concretas. También podemos utilizar las ecuaciones que describimos en nuestra selección de calculadores (ver aquí).


Pero si queremos diseñar aplicaciones que se salgan un poco de lo normal y hacerlo de forma eficiente tendremos que recurrir a nuestros propios cálculos. En este artículo vamos a revisar las ecuaciones que debemos utilizar. Nos centraremos especialmente en el problema de dimensionar tuberías. Una vez el sistema se ha dimensionado, debe analizarse con métodos de cálculo más detallados para determinar la presión de la bomba requerida para alcanzar el caudal deseado.

A)    ECUACIONES DE LA CAÍDA DE PRESIÓN

Ecuación de Darcy-Weisbach 


La caída de presión causada por la fricción de un fluido se calcula por la ecuación de Darcy –Weisbach:

Donde:

∆p =  Caída de presión, Pa
f  =  Factor de fricción, adimensional (del diagrama de Moody).
L = Longitud de la tubería, m
D = Diámetro interno de la tubería, m

Densidad del fluido a temperatura media, kg/m3
       V = Velocidad promedio, m/s

Esta ecuación a menudo se presenta en forma de energía específica como:
Donde:

·        ∆h = pérdida de energía, m
·        g = aceleración de la gravedad, m/s2
El factor de fricción  es una función de la rugosidad de la tubería ε, diámetro interior D, y el parámetro Re, el número de Reynolds:

 Donde:

·         Re = Número de Reynolds, adimensional
·         ε = rugosidad absoluta de la pared de la tubería, m
·         µ = viscosidad dinámica del fluido, Pa · s
El factor de fricción frecuentemente se obtiene en un Moody chart donde f es una función de Re con ε/D  como un parámetro.

Un ajuste útil de tuberías uniformes y rugosas para el régimen de caudales turbulento es la ecuación de Colebrook:

Ecuación de Hazen-Williams 

Esta ecuación se usa menos que la de Hazen-Williams, y se expresa de la siguiente forma:

O


Donde C = factor de rugosidad.

Valores típicos de C son 150 para tuberías de plástico y tubos de cobre, 140 para tuberías de acero nuevas, por debajo de 100 para tuberías rugosas o muy corroídas.

Pérdidas de accesorios y válvulas


Las válvulas y accesorios causan pérdidas de presión superiores a las causadas por las tuberías. Una formulación que expresa las pérdidas es:
O

Donde K es un coeficiente que depende de la geometría y el tamaño.

Pérdidas en accesorios múltiples


Los cálculos en pérdidas de accesorios típicos se hacen si cada accesorio se aísla y no interaccionan entre sí.

Cálculo de las pérdidas de presión


Los cálculos de pérdidas de caudal en los diseños de ingeniería más comunes seleccionan un tamaño de tubería para el caudal deseado y disponible o la pérdida de presión permitida.
Ya que la formulación de las pérdidas de accesorios requiere un diámetro conocido, el tamaño de la tubería debe seleccionarse antes de calcular la influencia detallada de los accesorios. Un criterio habitual asume que la longitud de diseño de las tuberías es entre un 50 y 100 % mayor que la actual debido a las pérdidas de los accesorios. Después de que el diámetro de la tubería se haya seleccionado sobre esta base, puede evaluarse la influencia de cada accesorio.
Ver 2ª PARTE
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