Hidráulica de los sistemas de tuberías (2ª PARTE)

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c.      Pérdidas locales

El flujo a través de válvulas, orificios, codos, transiciones, etc., causa separación de caudal que da como resultado la generación y disipación de corrientes de eddies turbulentas. Para sistemas cortos conteniendo muchas curvas, válvulas, T, etc. Pérdidas locales y menores pueden exceder las pérdidas de fricción. Las pérdidas por altura h_l asociadas con la disipación causada por una menor pérdida es proporcional a la altura de velocidad y puede ser tenida en cuenta para una pérdida menor o local usando la siguiente ecuación:

En donde K_l es el coeficiente de pérdida menor y Am es el área de la tubería a la entrada a la pérdida local. 

El coeficiente de pérdidas K_l es análogo a fL/d.

La suma de todas las pérdidas de fricción y pérdidas locales en un sistema de tuberías puede expresarse como:

En las que

Es importante usar el diámetro de tubería correcta para cada sección de tubería y pérdida local.

En el pasado algunos han expresado las pérdidas locales como una longitud de tubería equivalente:  L/d = K_l/f.  Esto simplemente representa la longitud de la tubería que produce la misma pérdida de altura como la pérdida menor o local. Esto es simple, pero no es un método completamente exacto para incluir las pérdidas locales. El problema con esta aproximación es que ya que el coeficiente de fricción varía de tubería en tubería, la longitud equivalente no tendrá un valor único. Cuando las pérdidas locales son auténticamente menores, este problema llega a ser académico debido a que el error solamente influye en pérdidas que son un pequeño porcentaje respecto al total. Para casos donde es importante la evaluación de todas las pérdidas, se recomienda que se usen coeficientes de pérdidas menores K_l en vez de una longitud equivalente.

La parte más desafiante de hacer los cálculos de pérdidas menores es obtener valores de K_l. Los resultados finales no pueden ser más exactos que los datos de entrada. Si la tubería es larga, las pérdidas de fricción pueden ser grandes comparadas con las pérdidas menores y los valores aproximados de K_l serán suficientes. Sin embargo, para sistemas cortos con muchos accesorios de tuberías, las pérdidas locales pueden representar una porción significativa de las pérdidas totales del sistema, y se determinarán exactamente. Numerosos factores influyen en K_l. Un factor que es importante para sistemas donde las pérdidas locales son significativas es la interacción entre componentes situados cerca unos de otros. Dependiendo del tipo, la orientación, espaciamiento de componentes, los coeficientes de pérdida total pueden ser mayores o menores que la suma simple de los valores individuales de K_l. Un factor que es importante para los sistemas donde las pérdidas locales son significativas, y espaciamiento de los componentes, el coeficiente de pérdidas total puede ser mayor o menor que la suma simple de los valores K_l individuales.

Comparando la magnitud de

Se determinará el cuidado que debemos tener  al seleccionar los valores K_l. Los valores típicos de K_l están tabulados.

d.      Diseño de tuberías

Los materiales comúnmente usados para transportar tuberías a presión son hierro dúctil, hormigón, acero, fibra de vidrio, PVC, y poliolefinas. Diferentes organizaciones han desarrollado especificaciones para cargas externas, presión de diseño interna, tamaños disponibles, calidad de materiales, prácticas de instalación, e instalación de revestimientos.

Están disponibles normas de las siguientes organizaciones:

•  American Water Works Association (AWWA)
•  American Society for Testing and Materials (ASTM)
•  American National Standards Institute (ANSI)
•  Canadian Standards Association (CSA)
• Federal Specifications (FED)
• Plastic Pipe Institute (PPI)

Para aplicaciones de líquidos de baja presión y aire puede usarse hormigón reforzado, acero corrugado, láminas metálicas y HDPE (polietileno de alta densidad). La elección de un material para una aplicación dada depende del tamaño de tubería, requerimientos de presión, resistencia a la corrosión interna y externa, facilidad de manipulación e instalación.

Los factores primarios gobernando la selección de la clase de presión de una tubería son (1) la presión de operación máxima en estado estacionaria, (2) presiones transitorias y picos de voltaje, (3) cargas de tierra externas y cargas vivas, (4) variación de las propiedades de las tuberías con la temperatura o efectos de carga a largo plazo, y (5) daño que puede resultar como consecuencia de ataques químicos. La influencia de los tres primeros ítems pueden cuantificarse, pero las dos últimas son muy subjetivas y generalmente se consideran con un factor de seguridad que es el ratio de la presión de ruptura respecto a la presión nominal.

No hay procedimientos estándar sobre el factor de seguridad aplicado.  Algunos pueden considerar que es lo bastante grande como para considerar todas las incertidumbres. Un procedimiento es recomendar la selección de la clase de presión de una tubería basándonos en la presión de diseño interna (IDP) definida como:

Donde la P_max es la presión de operación en estado estacionario máxima, P_s es el aumento de presión por golpe de ariete y SF es el factor de seguridad aplicado para tener en cuenta los ítems no conocidos (3 a 5). Es típico un factor de seguridad entre 3 y 4.

La presión de operación máxima en estado estacionario (P_max) en un sistema de caudal por gravedad es usualmente la diferencia entre la elevación más alta del depósito y la elevación más baja de la tubería. Para un sistema bombeado usualmente la altura de la válvula de la  bomba se calcula basándonos en la elevación más baja de la tubería.

Las presiones transitorias y elevaciones de voltaje dependen del diseño y operación del sistema de tuberías. La presión más exacta de P_s requiere analizar el sistema usando técnicas de computación modernas. El método más comúnmente usado es el “Método de características”. Algunos de los estándares de diseño dan unas guías generales para predecir P_s que puede ser utilizado si no se hace un análisis transitorio detallado. Sin embargo, los transitorios son complejos y normas simples son raramente exactas.

La selección del espesor de la pared para las tuberías más grandes es a menudo más dependiente de la presión de colapso y de las cargas manejadas. La tubería de gran diámetro y pared delgada puede ser adecuada para resistir presiones internas relativamente altas pero pueden colapsar bajo presión interna negativa o, si la tubería se entierra, el suelo y la presión subterránea más cargas vivas pueden ser suficientes para causar el colapso incluso si la presión en el interior de la tubería es positiva.

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