19 septiembre 2011

Aprendiendo a diseñar tuberías de forma eficiente (2ª PARTE)



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:

Donde:



elevación de la presión causada por el golpe de ariete, Pa



= densidad del fluido, kg/m3
    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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