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A) TUBERÍAS DE AGUA
Limitaciones de caudal
El ruido, la erosión y los costes
de instalación y operación todos limitan las velocidades máximas y mínimas en
el sistema de tuberías. Si el tamaño de tuberías es demasiado pequeño, los
niveles de ruido, niveles de erosión, y costes de bombeo pueden ser menos
favorables; si el tamaño de las tuberías es demasiado grande, los costes de
instalación son excesivos. Por lo tanto, los tamaños de tuberías deben ser
elegidos para minimizar los costes mientras se evitan los efectos no deseables
de las altas velocidades.
Se usan una gran variedad de
límites superiores de la velocidad de agua y/o caída de presión en los sistemas
de tuberías. Una limitación es colocar un límite de velocidad de 1,2 m/s para
50 mm de tuberías y más pequeñas, y un límite de la caída de presión de 400
Pa/m para tuberías sobre 50 mm.
Generación
de ruido
El ruido dependiente de la
velocidad en tuberías y sistemas de tuberías es un resultado de cualquiera de
las siguientes cuatro fuentes: turbulencia, cavitación, liberación del aire
atrapado, y presión por golpe de ariete del agua. Velocidades del orden de 3 a
5 m/s quedan dentro del rango de niveles de ruido permitidos para edificios
residenciales y comerciales. Los experimentos mostraron considerable variación
en los niveles de ruido obtenidos para una velocidad específica. Generalmente,
los sistemas con tuberías más largas y accesorios y válvulas más numerosos son
más ruidosos.
El ruido generado por el caudal
de un fluido en una tubería se incrementa profundamente si aumenta la
cavitación o liberación de aire atrapado. Usualmente la combinación de una
velocidad de agua alta con un cambio en la dirección del caudal o una
disminución en la sección transversal de una tubería causa una repentina caída
de presión. Se han realizado experimentos que mostraron que a la velocidad
máxima de 13 m/s, la cavitación no ocurre en una tubería recta; mientras que
usando los aparatos con dos codos, velocidades de agua de hasta 6,5 m no
causaban cavitación. La cavitación ocurre en orificios con ratio de área 1:8
(área del caudal del orificio es 1/8 el área del caudal de la tubería) a 1/5
m/s y en orificios de ratio de área 1:4 a 3m/s.
Erosión
La erosión de los sistemas de
tuberías es causada por las burbujas de agua, arena, u otras materias sólidas
que inciden en la superficie interior de la tubería. Generalmente, a
velocidades inferiores a 3 m/s, la erosión no es tan significativa como la
cavitación. Cuando el fluido transporta materia sólida a altas velocidades, la
erosión ocurre rápidamente, especialmente en las curvas. Por ello, no se usan
altas velocidades en sistemas donde la arena u otros sólidos están presentes o
donde se transportan lodos.
Tolerancia
con la edad
Con el tiempo, las superficies
internas de las tuberías son cada vez más rugosas, lo cual reduce el caudal
disponible con un suministro de presión fijo. Sin embargo, el diseño con una
excesiva tolerancia al envejecimiento puede dar como resultado un
sobredimensionado de tuberías. La disminución de la capacidad debida al
envejecimiento depende del tipo de agua, tipo de material de la tubería,
temperatura del agua, y tipo de sistema (abierto o cerrado) e incluye:
· Sliming (crecimiento biológico o suelos
depositados en las paredes de las tuberías), que ocurre principalmente en
sistemas de agua sin clorar.
· Caking de sales calcáeras, que ocurre en las
aguas duras (es decir, aguas que transportan sales de calcio)) y se incrementan
con la temperatura del agua.
· Corrosión (incrustaciones de hidróxido ferroso o
férrico en las paredes de las tuberías), que ocurren en tuberías metálicas en
aguas blandas. Debido a que el oxígeno es necesario para que tenga lugar la
corrosión, en los sistemas abiertos tiene lugar una corrosión más
significativa.
Golpe
de ariete
Cuando cualquier fluido móvil (no
solamente agua) es parado abruptamente, como cuando una válvula cierra
repentinamente, pueden desarrollarse grandes presiones. Si bien un análisis
detallado requiere conocimiento de las propiedades elásticas de la tubería y la
historia flow-time del caudal, el caso limitante de la tubería rígida y el
cierre instantáneo se calcula fácilmente según la siguiente expresión:
Cs = velocidad del sonido en el fluido, m/s
V = velocidad del caudal del fluido, m/s
El Cs para el agua es 1439 m/s, aunque la
elasticidad de la tubería reduce el valor efectivo.
Ejemplo:
¿Cuál es la máxima elevación de presión si el agua fluyendo a 3 m/s es parada
instantáneamente?
La solución es:
B) TUBERÍAS DE SISTEMAS HIDRÓNICOS
La ecuación
de Darcy-Weisbach con factores de fricción del Moody chart o la ecuación de
Colebrook (o, alternativamente, la ecuación de Hazen-Williams) es fundamental
para calcular la caída de presión en tuberías de agua fría y caliente. Sin
embargo, los diagramas calculados de estas ecuaciones proporcionan una fácil
determinación de las caídas de presión para fluidos específicos y tuberías
estándar.
Debe tomarse en consideración que
los números de Reynolds representados en las gráficas suelen ser todos en régimen
turbulento. Sin embargo, para tuberías más pequeñas y/o velocidades más bajas,
el número de Reynolds puede caer en régimen laminar, en el que los factores de
fricción de Colebrook no son válidos.
También debe conocerse que la
mayoría de tablas y diagramas para el agua se calculan para propiedades a 15
ºC. Usando estos para agua caliente se introduce algún error, aunque la
respuesta es conservadora (por ejemplo, los cálculos de agua fría exageran la
caída de presión para el agua caliente). Usando diagramas de agua a 15 ºC para
agua a 90 ºC no se originarán errores en
que excedan el 20 %
Rango
de uso de los diagramas de caída de presión
· Rango de diseño
general: El rango general de la pérdida de fricción en tuberías
usada para diseñar sistemas hidrónicos está entre 100 y 400 Pa/m de tubería. Un
valor de 250 Pa/m representa la media a la que la mayoría de los sistemas están
diseñados. Rangos más amplios pueden usarse en diseños específicos si se toman
ciertas precauciones.
· Ruido de
tuberías: Las tuberías del sistema hidrónico en bucle cerrado se
dimensionan generalmente bajo ciertos límites superiores arbitrarios, tales
como un límite de velocidad de 1,2 m/s para 50 mm de tubería y menos, o tales
como un límite de caída de presión de 400 Pa/m por tubería por encima de 50 mm
de diámetro. El ruido por la velocidad
del agua no se causa por el agua sino por el aire libre, caídas de presión
pronunciadas, turbulencia, o una combinación de estas, que pueden causar
cavitación o flashing del agua en el vapor. Por lo tanto, velocidades más altas
pueden usarse si se toman precauciones para eliminar la turbulencia y el aire.
Separación
de aire
El aire en los sistemas
hidrónicos usualmente no es deseable porque causa ruido en el caudal, permite
al oxígeno reaccionar con los materiales de la tubería, y a veces incluso
previene el caudal en partes del sistema. El aire puede entrar a un sistema en
una interface aire-agua en un sistema abierto o en un tanque de expansión en un
sistema cerrado, o puede venir transportado en un sistema cerrado. La mayoría
de los sistemas hidrónicos usan dispositivos de separación de aire para retirar
el aire. La solubilidad del aire en el agua se incrementa con la presión y
decrece con la temperatura; así, la separación del aire del agua se alcanza
mejor en el punto de presión más baja y/o temperaturas más altas de un sistema.
En ausencia de venteo, el aire
puede quedar atrapado en el agua y ser transportado a las unidades de
separación a velocidades entre 0,5 y 0,6 m/s o más en tuberías de 50 mm o
inferiores. Se recomiendan por lo tanto velocidades mínimas de 0,6 m/s. Para
tamaños de tuberías de 50 mm y superiores, se usan velocidades mínimas que
corresponden con una pérdida de presión de 75 Pa. El mantenimiento de las
velocidades mínimas es particularmente importante en las plantas superiores de
los edificios altos donde el aire tiende a salir de la solución debido a las
presiones reducidas.
Caída
de presión de accesorios y válvulas
Las válvulas y accesorios pueden
listarse en equivalentes a codos, con un codo equivalente a la longitud de una
tubería recta. Diferentes investigadores presentan datos de pérdidas en T de
diferentes formas, y a veces es difícil reconciliar resultados de varias
fuentes. Como una estimación del límite superior en las pérdidas T.
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