Guia Operaciones Unitarias 2

UMSA-FACULTAD DE INGENIERIA OPERACIONES UNITARIAS PET-245

Aux. José Luis Huanca P. Página 44

CAPITULO 5

“ECUACION GENERAL DE LA ENERGIA Y

PERDIDAS MAYORES”

Algunas de las restricciones que se establecieron por el uso de la ecuación de Bernoulli, se pueden eliminar al expandir la ecuación a lo que se conoce como ecuación general de energía. 5.1 PÉRDIDA Y ADICION DE ENERGIA Cuando se desarrollo la ecuación de Bernoulli se mencionaron cuatro restricciones para esa ecuación:

Es válida solamente para fluidos incomprensibles. No puede haber dispositivos mecánicos entre las dos secciones de interés. No puede haber transferencia de calor hacia el fluido o fuera de éste. No puede haber pérdidas de energía debida a la fricción.

Para el sistema de flujo como el que se presenta en la figura posterior, existen definitivamente algunas pérdidas y adiciones de energía entre las dos secciones de interés. Para sistemas como éste, ya no es válida la ecuación de Bernoulli. 5.2 NOMENCLATURA DE PÉRDIDAS Y ADICIONES DE ENERGIA Para las pérdidas y las adiciones de energía utilizaremos: la letra h, cuando se hable de pérdidas y adiciones de energía. Específicamente los términos siguientes se usaran: hA = Energía añadida o agregada al fluido mediante un dispositivo mecánico como puede ser

una bomba.

hR = Energía removida o retirada del fluido mediante un dispositivo mecánico, podría ser un

motor de fluido.

hL = Pérdida de energía por parte del sistema, debida a fricción en los conductos, o

pérdidas menajes debidas a la presencia de válvulas y conectores.



21 EhhhE LRA

2

2

221

2

11

22Z

g

vPHHHZ

g

vPLRA

5.3 ECUACION GENERAL DE LA ENERGIA

La ecuación general de la energía, es simplemente una expansión de la ecuación de

Bernoulli, que hace posible resolver problemas en los que se presentan pérdidas y

adiciones de energía. La interpretación lógica de la ecuación de la energía se puede ver en la

figura adjunta, que presenta un sistema de flujo. Los términos El y E2 denotan la energía que

posee el fluido por unidad de peso en las secciones 1 y 2 respectivamente. También se

muestran las adiciones, remociones y pérdidas de energía hA, hR, hL. Para tal sistema, la

expansión del principio de conservación de la energía es:

La energía que posee el fluido por unidad de peso es: Reemplazando se obtiene: Las unidades en el SI son N*m/N o metros. Las unidades en el Sistema Británico de Unidades Ib*pie/lb ó pie. Es de suma importancia que la ecuación general está escrita en la dirección de flujo, es decir desde el punto de referencia, en la parte izquierda de la ecuación y el punto correspondiente, en el lado derecho. Los signos algebraicos juegan un papel crítico, debido a que el lado izquierdo de la ecuación establece que un elemento de Fluido que



QhPott Bomba **

QhPott Bomba **

;356.11 Ws

pielb

;5001

s

pielbhp

Whp 7.7451

tenga una cierta cantidad de energía por unidad de peso en la sección 1, puede tener una adición de energía (+hA), una remoción de energía (-hR) o pérdida de energía (-hL), antes de que alcance la sección 2. En tal punto contiene una cantidad diferente de energía por unidad de peso según lo indican los términos de la parte derecha de la ecuación. 5.4 POTENCIA REQUERIDA POR BOMBAS La potencia se define como la rapidez con que se realiza un trabajo. En la mecánica de fluidos podemos modificar este enunciado y considerar que la potencia es la rapidez con que la energía está siendo transferida. La unidad de potencia en el SI es el watt (W), que es equivalente a 1.0 N*m/s y en el sistema Britanico es lb-pie/s, en la práctica es común referirse a la potencia en caballos de fuerza (hp-Horse Power). Con el fin de calcular la potencia transferida, debemos determinar cuántos newton de fluido están fluyendo por la bomba en un intervalo de tiempo. A esto se le conoce como rapidez de flujo de peso. La potencia se calcula multiplicando la energía transferida por la rapidez de flujo de peso. Es decir: Considerando el rendimiento

5.5 NUMERO DE REYNOLDS El flujo de un liquido en una tubería puede ser despacio, flujo laminar (también conocido como flujo viscoso). En este tipo flujo las capas o láminas no causan turbulencia. Dado que cuando el caudal aumenta, la velocidad aumenta el flujo puede cambiar de laminar a turbulento esto puede ser debido a la inyección de flujo a la tubería. Un importante parámetro adimencional es el número de Reynolds que es usado para clasificar el tipo de flujo en la tubería. El número de Reynolds es calculado mediante la siguiente ecuación: Donde:



V = Velocidad media, m/s, ft/s D = Diámetro interno de la tubería, m, ft ρ = Densidad del liquido, kg/m3, slugs/ft3 μ = Viscosidad Absoluta, N-s/m2, lb-s/ft2 R = Numero de Reynolds, adimencional Dado que la viscosidad cinematica es: ν = μ/ρ el numero de Reynolds puede ser expresado de la siguiente forma: Donde: ν = Viscosidad Cinematica, m2/s, ft2/s Se debe tener cuidado en las unidades usadas en la ecuación debido a que el Numero de Reynolds es adimensional. 5.6 REGÍMENES DE FLUJO El flujo a través de una tubería está clasificado dentro tres regímenes de flujo, y pueden ser distinguidos de la siguiente manera:

1. Laminar: Numero Reynolds <2000 2. Critico: Numero Reynolds >2000 y Numero Reynolds <4000 3. Turbulento: Numero Reynolds >4000

Como el líquido fluye a través de la tubería, la energía es pérdida debido a la fricción entre la superficie de la tubería y el líquido y debido también a la interacción entre las moléculas del líquido. De esta forma se refiere a la energía por fricción perdida como perdida de presión debido a la fricción, La perdida de presión por fricción depende del caudal, del diámetro de la tubería, de la rugosidad, la gravedad especifica del liquido y de la viscosidad. Además la pérdida de presión por fricción también depende del número de Reynolds y el régimen de flujo. El objetivo es calcular la pérdida por fricción dado por la fricción, propiedades del líquido y regímenes de flujo. 5.7 PERDIDAS MAYORES La pérdida de presión debido a la fricción en una longitud de tubería, expresada en metros o pies de líquido puede ser calculada usando la ecuación de Darcy-Weisbach:



Donde: f = Factor de fricción de Darcy, adimencional, usualmente el número varía entre 0.008 y 0.10 L = Longitud de la tubería, ft D = Diámetro interno de la tubería, ft V = Velocidad media del liquido, ft/s g = Aceleración debido a la gravedad, 32.2 ft/s2 en unidades inglesas En un flujo laminar, el factor de fricción “f” solo depende del número de Reynolds. En un flujo turbulento “f” depende del diámetro de la tubería, de la rugosidad de la tubería y del número de Reynolds, como se mostrara. 5.8 FACTOR DE FRICCIÓN Para flujo laminar, con un número de Reynolds R<2000, el factor de fricción de Darcy es calculado mediante la siguiente relación:

Para un flujo laminar el factor de fricción solo depende del número de Reynolds y es independiente de las condiciones internas de la tubería. Para un flujo turbulento, Cuando el numero de Reynolds es R > 4000, el factor de fricción f no solo depende del número de Reynolds, sino también del la rugosidad en el interior de la tubería. Dado que la rugosidad incrementa, así también los hace el factor de fricción. Por eso una tubería lisa tiene menor factor de fricción comparada con una tubería rugosa. Mas correctamente, el factor de fricción depende de la rugosidad relativa (e/D) donde e es la rugosidad absoluta de la tubería. Existen varias relaciones para hallar el valor del factor de fricción f . Estos están basados en experimentos realizados por científicos e ingenieros en los últimos 60 años. Una buena ecuación propuesta para un flujo turbulento (donde R>4000) es la ecuación de Colebrook-White:

[

√ ]

Donde: f=Factor de fricción de Darcy, adimensional D=Diámetro interno de la tubería, in. e=Rugosidad absoluta de la tubería, in. R=Numero de Reynolds, adimesional Todos los términos en la ecuación son adimensionales



Esta ecuación puede verse que el cálculo no es fácil, dado que el factor de fricción f aparece en ambos lados de la ecuación. Para lo cual se debe resolver con un error. Se puede empezar a asumir un valor de f (0.02) y sustituir en el lado derecho de la ecuación. Esto llevara a una segunda aproximación de f, la cual puede ser usada para re calcular el valor de f por sucesiva iteración. Generalmente, de tres a cuatro iteraciones pueden dar un valor satisfactorio de f. (correcto con 0.001 decimales) Durante las dos últimas décadas varias formulas del factor de fricción para flujo turbulento han sido propuestas por varios investigadores. Todas estas facilitan el cálculo del factor de fricción comparada con la ecuación de colebrook-White estas requieren un error y son llamadas ecuación de Churchill y Swamee-Jain. En la zona critica, donde el numero de Reynolds está entre 2000 y 4000, Generalmente la formula no es aceptada, esto es debido a que es una zona inestable y por eso el factor de fricción es indeterminado. Pero es más comúnmente calculado como si fuera flujo turbulento. Para denotar mejor, la zona de flujo turbulento (R>4000) actualmente consiste en tres diferentes zonas:

Flujo Turbulento en tubería lisa Flujo Turbulento en tubería totalmente rugosa Flujo de Transición en una tubería lisa y rugosa

5.8.1 Para flujo turbulento en tubería lisa, La rugosidad en la tubería tiene un efecto despreciable en el factor de fricción f. Por eso, el factor de fricción en esta región solo depende del número de Reynolds como sigue:

[

√ ]

5.8.2 Para Flujo Turbulento en tubería totalmente rugosa, el factor de fricción f parece depender menos del numero de Reynolds como la rugosidad aumento de valor. En este caso solo dependerá de la rugosidad y el diámetro. Y este puede ser calculado mediante la siguiente ecuación:

[

]

5.8.3 Para la zona de transición entre un Flujo turbulento en tubería lisa y un flujo turbulento en tubería rugosa, el factor de fricción f es calculado usando la ecuación de Colebrook-White dado anteriormente:



[

√ ]

La ecuación discutida arriba puede ser graficada sobre un Diagrama de Moddy. La rugosidad relativa es definida como e/D, y es el resultado de simplemente dividir la rugosidad absoluta entre el diámetro interno de la tubería. Los términos de la rugosidad relativa son adimencionales. El diagrama de Moddy refleja un mapa completo para la zona de flujo laminar y turbulento dentro la tubería. El diagrama de Moddy no es confiable debido a que se usa un error para resolver la ecuación para el cálculo del factor de fricción f. Para usar el diagrama de moddy, para

Figura Diagrama de Moody para el factor de fricción.

determinar el factor de fricción f. Primero se debe calcular el número de Reynolds R, luego localizar en el eje horizontal el valor del numero de Reynolds y dibujar una línea vertical hasta interceptar con la apropiada curva de rugosidad relativa (e/D). Desde este punto de intersección sobre (e/D), leer el valor del factor de fricción f sobre el eje vertical de la izquierda.



Antes de salir de la discusión del factor de fricción, se debe mencionar un término adicional: El factor de fricción de Fanning. Algunos usan este factor de fricción en vez del factor de fricción de Darcy. El factor de fricción de Fanning está definido como sigue:

Donde: ff=Factor de fricción de Fanning fd= factor de fricción de Darcy

PROBLEMAS RESUELTOS Numero de Reynolds P-5.1 Un conducto de 4 pulgadas de diámetro lleva 0.20 pies3/s de glicerina (SG=1,26) a 100ºF. ¿Es el flujo Laminar o Turbulento? DATOS: SOLUCION: D =0,333pies µ (100ºF)=7,45*10-3 Lb*s/pie2 (Tabla) SG= 1,26 Q=0.20 pie3 /s INCOGNITAS: NR=?

QFlujo

DDiametro



P-5.2 Calcule la rapidez de flujo de volumen máximo de aceite combustible a 45ºC a la cual el flujo seguirá siendo laminar en un conducto de 100mm de diámetro. Para el aceite utilice SG= 0,895 y una viscosidad dinámica de 4,0 *10-2 Pa-s. DATOS: D =100 mm µ (45ºc)=4,0*10-2 Pa*s SG= 0,895 INCOGNITAS: NR=? SOLUCION:

Considerando flujo laminar NR < 2000

Calculo del caudal empleando la ecuación de continuidad:

[ ]

[ ]

P-5.3 Aire con un peso especifico de 12,5 N/m3 y una viscosidad dinámica de 2,0*10-5 Pa*s, fluye a través de la parte sombreada del ducto de la figura, con una rapidez de 150 m3/h. Calcular el número de Reynolds del flujo. DATOS: ν= 2,0*10-5 Pa*s γ= 12,5 N/m3 Q =150 m3/h INCOGNITAS: NR=? SOLUCION: Superficie del área sombreada:



{[ (

)]

}

Velocidad de flujo promedio:

Perímetro mojado:

√

Calculo del radio hidráulico para sección irregular, para ello se reemplaza los valores de área y perímetro mojado en la siguiente relación:

Calculo del NR empleando la siguiente relación:

[

]

P-5.4 En el sistema mostrado en la Figura la bomba BC debe producir un caudal de 160 l/s de aceite, Dr = 0,762, hacia el recipiente D. Suponiendo que la pérdida de energía entre A y B es de 2,50 m y entre C y D es de 6,50 m, a) ¿qué potencia en HP debe suministrar la bomba a la corriente? b) Dibujar la línea de alturas totales.

A

B C

D

cmD 30

cmD 30

Figura

m3

m60

m15



D

DD

perdBA

AA Zg

vPHHZ

g

vP

22

22

60.0)5,65,2(15.0 desprecHdesprec B

mHB 0.54

Wms

m

m

NHQWattPotencia BOMBA 9,645850,54*)16.0(*)81.9*1000*762.0(**

3

3

HPW

HPWHPPotencia 58.86

746

1*9,64585)(

HPPotencia 58.86

DATOS: SOLUCION: Q=160 [l/s] Dr=0,762 HA-B=2,5m HC-D=6,5m INCÓGNITAS: a) Pott=? b) Líneas de alturas b) P-5.5 Una tubería que transporta aceite crudo (SG=0.93) a 1200 l/min está hecha con conducto de acero de 6 plg, Calibre 80. Las estaciones de Bombeo están espaciadas 3,2 Km entre sí. Si el aceite esta a 10 ºC, Calcule: (a) La caída de presión entre estaciones y (b) La potencia requerida para mantener la misma presión en la entrada de cada bomba.

a) La velocidad de las partículas en A y D es tan pequeña que puede despreciarse las alturas de velocidad. Ecuación de energía entre A y D:

A

B C

D

Figura

m60

m3

m15

m5.66

m5.12



DATOS: D (6plg)= 146.3 mm (Tabla) µ (10ºC)= 1.5*10-1 N*s/m2 (Tabla) SG= 0.93 Q= 1200 l/min L= 3,2 Km INCOGNITAS: a) ΔP=? b) Pott=? SOLUCION:

a) Caída de presión entre los puntos A y B Aplicando la ecuación de energía en los puntos A y B:

Despejando de la ecuación de energía la diferencia de presión se tiene:

[

]

Velocidad en el conducto:

[

]

[ ]

Se sabe que la perdida de energía (hL) en el conducto es:

Numero de Reynolds:

Calculo de factor de fricción:

QFlujo

Bomba

Bomba

m3200

A BAPesionPr

BPesionPr



Sustituyendo el factor de fricción “f” en (2):

Reemplazando la pérdida de energía en (1):

[ ] [ ]

[ ]

b) Calculo de la potencia de la bomba para mantener la misma presión a la entrada de cada bomba.

( )

P-5.6 A través de una tubería nueva de fundición esta circulan de agua a 20°C y a una velocidad de 4,2(m/s), la tubería es de 150mm de diámetro y tiene una longitud de 400m. Determine la perdida de carga debida a la fricción. DATOS:

SOLUCIÓN:

Calculo del Número de Reynolds:



Calculo de la rugosidad relativa:

Calculo del factor de fricción:

:

fDf Re*

51.2

*71.3log*2

1

81.9*2

2.4*

15.0

400*024.0

*2**

22

)( g

v

D

LfH tuberiaL

mH tuberiaL 54.57)(

P-5.7 Desde un punto 2 de elevación o cota 66,66 m se está descargando gasolina a través de una tubería, El punto 1, localizado a 965,5 m en la tubería a partir del punto 2, tiene una cota de 82,65 m, y la presión es de 2,50 kPa. Si la tubería tiene una rugosidad de.0,500 mm ¿qué diámetro de tubería es necesario para descargar un caudal de 0,10 m3/s de gasolina (Peso especifico = 7,05 kN/m3,µ = 2,92.10-4 Ns/m2,ρ = 719 kg/m3)? DATOS: SOLUCION: Z2=66,66m L=965.5m Z1=82.65m P1=2,50 kPa e=0.500mm Q=0,10 m3/s γ = 7,05 kN/m3 µ = 2,92.10-4 Ns/m2 ρ = 719 kg/m3 INCÓGNITAS: D=?

m66.66

?D

L

1

2m65.82



2

2

22

1

2

11

22Z

g

vPHZ

g

vPperd

mdesprecHmdesprecm perd 66.66.065.82.7050

2500.

mH perd 34.16.

);......(2

2

.

g

v

D

LfH perd

2

2

542

2

.*

*8

**

*8

g

Q

D

Lf

Dg

Q

D

LfH perd

)......(*

*4

4

22

D

Q

D

Q

A

Qv

52

2

. *

*8

g

Q

H

LfD

perd

)1.....(..........*81.9

1.0*8

34.16

5.9655

2

2

fD

);.......(**

Re

DV

)2.....(..........**10*92,2

719*1.0*4Re

4 D

)......(*

*42

D

QV

D

Q

**

**4Re

)3.....(..........0005.0

D

m

D

e

Aplicando la formula de Darcy-Weisbach

Remplazando β en α: Despejando el diámetro “D”

Reemplazando valores:

Calculo del Número de Reynolds: Reemplazando β en γ se tiene: Reemplazando valores:

Calculo rugosidad relativa:

a) La velocidad de las partículas en 1 y 2 es tan pequeña que puede despreciarse, la presión P2/γ=0 (da a la atmosfera). Ecuación de energía entre 1 y 2:



)4.....(..........Re

51.2

71.3log2

1

calcal f

De

f

][26 cmD

Ecuación de Colebroock: Este valor de f(supuesto) coincide con el valor de f(calculado). De aquí que el valor correcto de “D” diámetro requerido es 0.25928m P-5.8 Para una tubería de acero de 4 pulgadas Calibre 80 de 25 pies de longitud está fluyendo agua a 100ºF. Calcule la velocidad de flujo de volumen máxima permitida si la pérdida de energía debido a la fricción de la tubería se limitará a 13.061 pies lb/lb.

Encontrando los valores:

4" 0.3188[ ]D pies , 41.5 10 [ ]pies , 6 27.37 10 [ ]v pies s SOLUCION:

Despejando de Darcy la velocidad de flujo expresado en función de f: 2

f2

L

L Vh

D g

⟹

2

f

Lh D gV

L

2 2 213.061[ ] 0.3188[ ] 2 32.2[ ] 10.726[ ]

25[ ] f f

pies pies pies s pies sV

pies

(1)

Número de Reynolds en el conducto en función a la velocidad de flujo:

4

4 2

0.3188[ ]4.326 10

7.37 10 [ ]R

D V m VN V

v pies s

(2)

Rugosidad relativa:

f(supuesto) “D” ec. (1) Re ec. (2) e/D ec. (3) f(calculado) ec.(4)

0.020 0.24999 1251081.8 0.002000 0.024

0.024 0.25928 1209176.3 0.001928 0.024

Para el cálculo del diámetro se procederá: 1. Se efectuara el cálculo por tanteo de un valor “ f(supuesto) ” (factor de fricción), determinando “D” por la ecuación (1). 2. Se determinara Re y (e/D) para el valor de “D” con las ecuaciones (2) y (3). 3. Se determinara el valor de “ f(calculado) ” en función de Re y (e/D) con el diagrama de Moody o con la ecuación de colebroock. En caso de que este valor coincida con el valor del supuesto este será el diámetro buscado, en caso contrario será necesario efectuar un nuevo tanteo, suponiendo ahora el “ f ” calculado.



44

107059.4][3188.0

][105.1

xpies

piesx

D

Con el NR y la rugosidad relativa se procede al procedimiento de iteración mediante la ecuación de colebroock con valores de prueba inicial de f ó también del diagrama de Moddy f 0.023 y sustituyendo f en (1)

2 210.726[ ]21.6[ ]

0.023

pies sV pies s

El número de Reynolds se obtiene sustituyendo la velocidad de flujo en (2)

4 54.326 10 21.6 9.34 10RN

Obteniendo el nuevo factor de f 0.0175 y sustituyendo en (1)

2 210.726[ ]24.76[ ]

0.0175

pies sV pies s

Cálculo del nuevo número de Reynolds bajo la sustitución de V en (2)

4 54.326 10 25.12 1.087 10RN Obteniendo nuevo factor de f 0.017 En vista que el valor de f permanece inalterado que la anterior prueba por tanto se acepta

la velocidad de flujo de 25.12[ ]pies s Cálculo de la velocidad de flujo de volumen:

2

0.3188[ ]25.12[ ]

4

piesQ AV pies s

⟹

32.0[ ]Q pies s

P-5.9 A través de una tubería de acero con un diámetro exterior de 2pulg y un grosor de pared de 0.083 pulgadas se encuentra fluyendo un aceite hidráulico. Una caída de presión de 68 kPa se observa entre dos puntos en la tubería situada a 30m entre si. El aceite tiene una gravedad especifica de 0.90 y una viscosidad dinámica de 3.0×10-5m. Calcule la velocidad de flujo de aceite.



45

107059.4][046584.0

][103

xm

mx

D

DATOS: SOLUCION: D=2 pulg Espesor=0.083 plg ΔP=68 KPa LA-B=30m GE=0.90 δ=3.0*10-5m INCÓGNITAS: V=?

2 2

2 2

A A B BA L B

REF REF

P V P VZ h Z

g g

Despejando de la pérdida de energía:

2

2 2

.

( )2

A B B AL B A

AC H H O

P P V VH Z Z

Sg g

Sustituyendo los valores y considerando 0B AZ Z y 2 2 2 0B AV V g 2

3

68[ ]7.702[ ]

0.9 9.81[ ]L

kN mH m

kN m

Despejando de Darcy la velocidad de flujo expresado en función de f: 2

f2

L

L Vh

D g

⟹

2

f

Lh D gV

L

2 2 27.702[ ] 0.046584[ ] 2 9.81[ ] 0.23465[ ]

30[ ] f f

m m m s m sV

m

(1)

Calculo del Número de Reynolds en el conducto en función a la velocidad de flujo:

4.

3

0.046584 0.9 10001.398 10

3.0 10

AC HR

D V VN V

(2)

Rugosidad relativa: Con el NR y la rugosidad relativa se procede al procedimiento de iteración. Como valores de prueba inicial de f se obtuvo del diagrama de Moddy f 0.03 y sustituyendo en (1)

Empleando la ecuación de la energía en A y en B



2 20.23465[ ]2.797[ ]

0.03

m sV m s

El número de Reynolds se obtiene bajo el sustituto de la velocidad de flujo en (2)

4 41.398 10 2.797 3.91 10RN

Obteniendo el factor nuevo de f del diagrama de Moddy f 0.024 y remplazando en (1)

2 20.23465[ ]3.13[ ]

0.024

m sV m s

Cálculo del nuevo NR bajo el remplazo de V en (2)

4 41.398 10 3.13 4.38 10RN

Obteniendo el factor nuevo de f del diagrama de Moddy f 0.0235 y sustituyendo en (1)

2 20.23465[ ]3.16[ ]

0.0235

m sV m s

Cálculo del nuevo NR bajo el remplazo de V en (2)

4 41.398 10 3.16 4.42 10RN

Obteniendo el nuevo factor de f del diagrama de Moddy f 0.0235 . En vista que el valor f permanece inalterado que la anterior prueba por lo tanto se acepta la velocidad de flujo de:

3.16[ ]V m s .

P-5.10 En un sistema de procesamiento químico, el flujo de glicerina a 60ºF (sg=1.24) en un tubo para que este permanezca laminar con un numero de reynolds aproximadamente igual a 300, pero sin exceder este valor. Determine el tamaño de conducto que

transportara una rapidez de flujo de 0.90 spie / . Entonces, para un flujo de 0.90 spie /3

en el tubo que usted ha calculado, calcule la caída de presión entre dos puntos separados entre si a una distancia de 55.0pies, si el tubo está en posición horizontal.

Valor encontrado. 22 /*10*62.4 pieslb



DATOS: SOLUCION: Sg=1.24 Re=300 v=0.90 pie/s L=55.0 pie

22 /*10*62.4 pieslb

INCÓGNITAS: ΔP=?

4

**

2D

Q

A

QvvAQ

………………………(Ec-1)

Numero de Reynolds:

GLIC

R

vDN

** ……………..(Ec-2)

Sustituyendo (2) en (1)y despejando D:

GLIC

R

D

QD

N

*

4

**

2

=D

QD

Q

GLIC

GLIC

**

*4*

*4

**

*4

R

GLIC

N

QD ………..(Ec-3)

Reemplazando los valores en 3:

pies

pie

slb

pieslugsspieD 199.0

*)*

10*62.4(*300

/24.1*/9.0*4

2

2

33

Sustituyendo valores en (1) se tiene la velocidad de flujo:

s

pies

pies

spiev 94.28

4

)199.0(*

9.02

3

Empleando la ecuación de la energía en A y B:

g

VZ

Ph

g

VZ

P BB

GLIC

BL

AA

GLIC

A

22

22

Despejando la diferencia de presiones:

GLILABAB

BA hZZg

VVPP *)(

2

22

…………….(Ec-4)

Calculo de la perdida de energía Lh en el conducto empleando Darcy:

g

V

D

LfhL

2**

2

……….(Ec-5)

Expresando la velocidad de flujo en función del diámetro:

55 pies



Calculo de f empleando la siguiente relación (flujo laminar):

2133.0300

6464

RNf

Sustituyendo el factor f en 5 y se obtiene la pérdida de energía:

piesspie

spie

pie

pieshL 68.766

2.32*2

)94.28(*

199.0

55*2133.0

2

2

Se obtiene la diferencia de presiones bajo el sustituto de los valores en (4):

3

2.64*24.1*68.76600pie

lbPP BA

222 lg96.411

lg)12(

1*63.59322

pu

lb

pu

pie

pie

lbPP BA

P-5.11 En la figura se muestra una bomba que hace circular 300gal/min de aceite de lubricación para maquina, herramientas pesadas a 104ºF (sg=0.890) con el fin de probar la

estabilidad de aceite (pesado) y cuya viscosidad cinemática es de 2.15* spie /10 22 . La

longitud total del conducto de 3 pulgadas es de 75 pies. Calcule la potencia transmitida por la bomba de aceite.

SOLUCION: Encontrando valores:

piesD 2557.03 (Tabla)

piesD 3355.04 (Tabla)

Empleando la ecuación de la energía en los puntos (1) y (2):

g

VZ

Phh

g

VZ

P

AC

AL

AC 22

2

22

2

2

11

1

Bomba

22 pies

Flujo

15 pies

6pies

Línea de

descarga

conducto

de acero de

3’’. Calibre

40

Línea de

succión de

acero de 4’’

calibre 40



Despejando la energía añadida ( Ah ):

L

AC

A hg

VVZZ

PPh

2)(

2

1

2

212

12

…………….. (Ec.-1)

La velocidad en el conducto de impulso es:

s

pie

pies

smpieLmgalLgalV 015.13

4

)2557.0(*

60min/1*)3048.0/(1*1000/1*1/785.3min*3002

333

2

Velocidad en el conducto de succión es:

s

pie

pies

smpieLmgalLgalV 56.7

4

)3355.0(*

60min/1*)3048.0/(1*1000/1*1/785.3min*3002

333

2

Calculo de la perdida de energía en el conducto de succión:

g

V

D

LfhL

2**

2

4

4

4 …………………. (Ec.-2)

Numero de reynolds:

118010*15.2

56.7*335.0*22

44 spies

spiespies

v

VDNR

Factor de fricción:

0542.01180

6464

RNf

Sustituyendo valores en (2) y se obtiene Lh :

piesspie

spie

pie

piehL 584.3

2.32*2

)55.7(*

3355.0

25*0542.0

2

2

4

Calculo de la perdida de energía en el conducto de impulsión:

g

V

D

LfhL

2**

2

3

3

33 ………….Ec.-3

Numero de Reynolds:

154810*15.2

015.13*2557.0*22

33 spies

spiespies

v

VDNR

Factor de fricción:

0413.01148

6464

RNf

Sustituyendo valores en (3) y se obtiene 4Lh :



piessm

hL 863.312.32*2

)13005(*

2557.0

75*0413.0

2

2

3

Se tiene 4h bajo el sustituido de los valores en (1):

piespie

spiepiehA )863.31584.3(

2.32*2

0)015.13(010

2

2

pieshpiepiepieh AA 08.3945.3563.21

Calculo de la potencia de la bomba

AA hQP **

piesie

lb

s

piesPA 08.39*4.62*890.0*6683.0

3

2

Hp

s

pielb

HP

s

pielbPA 637.2

*550

1*

*44.1450

P-5.12 Va a fluir agua a 60° F por gravedad entre dos puntos ubicados a 2 millas uno del otro a una velocidad de 13500 gal/min. El extremo superior es 130 pies más alto que el extremo interior. ¿Cuál es el tamaño de tubería de concreto que se requiere? Asuma que la presión en ambos extremos de la tubería es despreciable.

DATOS: v = 1,21*10-5 pies2/s ξ = 1,5*10-4 pies

SOLUCION:

A B

2 millas

Flujo

130 pies



Empleando la ecuación de la energía en A y B.

Despejando la perdida de energía (hL) y considerando VA= VB y (PA – PB) = 0

[

]

Expresando la perdida de energía en términos de velocidad, utilizando la ecuación de Darcy:

Expresando la velocidad en términos de caudal y el diámetro de la tubería:

Sustituyendo la velocidad de flujo en la ecuación de Darcy ó (3) en (2)

(

)

Despejando el diámetro del conducto:

(

)

⁄

Sustituyendo los valores:

(

)

⁄

⁄

Expresando el número de Reynolds en términos del diámetro:

(

)

Sustituyendo los valores:

1. Asumiendo un valor de prueba inicial f = 0,0200.

2. Calculo del diámetro del conducto bajo el sustituto de f en (4)

⁄



3. El numero de Reynolds se obtiene bajo el reemplazo de D en (5)

4. Rugosidad relativa:

5. Obteniendo de nuevo valor de fricción f del diagrama de Moddy (f = 0,0208). 6. Compare el nuevo valor de f con el que se asumió en el paso 1 y repita los

pasos 1 a 6 hasta que no pueda detectar un cambio significativo en f. Calculo del nuevo diámetro del conducto sustituyendo f en (4)

⁄

Donde en nuevo NR se tiene bajo la sustituto de D en (5)

Nueva rugosidad relativa:

Obteniendo el nuevo valor de fricción f del diagrama de Moddy (f = 0,0233).

Calculo del nuevo diámetro del conducto bajo la sustitución de f en (4)

⁄

El nuevo NR se tiene reemplazando D en (5)

Nueva rugosidad relativa:

Determinado el nuevo valor de fricción f del diagrama de Moddy (f = 0,0233) Comparando el nuevo valor de f con el anterior se ve que existe cambios, por lo tanto se acepta el diámetro calculado (D = 2,123 pies).

pieD 123.2



g

vKhL

2

2

CAPITULO 6

“PERDIDAS MENORES”

En este capítulo se tratara sobre las pérdidas menores debido a la presencie de válvulas, junturas, cambios en el tamaño de la trayectoria de flujo y cambios en la dirección. 6.1 FUENTES DE PÉRDIDAS MENORES En la mayor parte de los sistemas de flujo, la pérdida de energía primaria se debe a la fricción del conducto, como se describió anteriormente. Los demás tipos de pérdidas de energía son pequeñas en comparación, y por consiguiente se hace referencia a ellas como pérdidas menores. Las pérdidas menores ocurren cuando hay un cambio en la sección cruzada de la trayectoria de flujo o en la dirección de flujo, o cuando la trayectoria de flujo se encuentra obstruida, como sucede con una válvula. La energía se pierde bajo estas condiciones debido e fenómenos físicos bastantes complejos. 6.2 COEFICIENTE DE RESISTENCIA Las pérdidas de energía son proporcionales a la cabeza de velocidad del flujo al fluir éste alrededor de un codo, a través de una dilatación o contracción de la sección de flujo, o a través de una válvula. Los valores experimentales de pérdida de energía generalmente se reportan en términos de un coeficiente de resistencia K, de la siguiente forma: Donde: hL = Pérdida de energía menor K = Coeficiente de resistencia (adimensional) V = Velocidad de flujo promedio en el conducto en la vecindad donde

se presenta la perdida menor.

En algunos casos, puede haber más de una velocidad de flujo, como las dilataciones o en las contracciones. Es muy importante que usted sepa qué velocidad se debe utilizar del conducto menor. 6.2.1 DILATACIÓN SÚBITA Al fluir un ruido de un conducto menor a uno mayor a través de una dilatación súbita, su



g

vKhL

2

2

1

velocidad disminuye abruptamente ocasionando una turbulencia que genera una pérdida de energía. Por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía depende del cociente de los tamaños de los dos ductos.

La pérdida menor se calcula empleando la siguiente ecuación:

Donde: v1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está delante de la dilatación. Las pruebas han demostrado que el valor del coeficiente de perdida K depende de la proporción de los tamaños de los dos conductos como de la magnitud de la velocidad de flujo. La tabla 1 muestra los valores del coeficiente de resistencia. Tabla 1. COEFICIENTES DE RESISTENCIA-DILATACION SUBITA

D2/D1

Velocidad 1

0.6 m/s 2 pie/s

1.2 m/s 4 pie/s

3 m/s 10 pie/s

4.5 m/s 15 pie/s

6 m/s 20 pie/s

9 m/s 30 pie/s

12 m/s 40 pie/s

1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

1.2 0.11 0.10 0.09 0.09 0.09 0.09 0.08

1.4 0.26 0.25 0.23 0.22 0.22 0.21 0.20

1.5 0.40 0.38 0.35 0.34 0.33 0.32 0.32

1.8 0.51 0.48 0.45 0.43 0.42 0.41 0.40

2.0 0.60 0.56 0.52 0.51 0.50 0.48 0.47

2.5 0.74 0.70 0.65 0.63 0.62 0.60 0.58

3.0 0.83 0.78 0.73 0.70 0.69 0.67 0.65

4.0 0.92 0.87 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72

5.0 0.96 0.91 0.84 0.82 0.80 0.77 0.75

10.0 1.00 0.96 0.89 0.86 0.84 0.82 0.80

- 1.00 0.96 0.91 0.86 0.86 0.83 0.81

Fuente: HW. King E. F. Brater 1963 y copia de Robert Mott 1996



6.2.2 DILATACIÓN GRADUAL Es la transición de un conducto menor a uno mayor menos abrupto. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos conductos como se muestra en la figura. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido durante la desaceleración y expansión de la corriente del flujo.

La pérdida de energía pare una dilatación gradual se calcula a partir de:

g

vKhL

2

2

1

Donde: V1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la dilatación. La magnitud de K depende de la proporción de diámetro D2/D1 como del ángulo de cono, La Tabla 2 muestra los diferentes valores de resistencia (K).

Tabla 2 COEFICIENTES DE RESISTENCIA – DILATACION GRADUAL

D2/D1 ANGULO DEL CONO θ

2º 6º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 60º

1.1 0.01 0.01 0.03 0.05 0.10 0.13 0.16 0.18 0.19 0.20 0.21 0.21

1.2 0.02 0.02 0.04 0.09 0.16 0.21 0.25 0.29 0.31 0.33 035 035

1.4 0.02 0.03 0.06 0.12 0.23 0.30 0.36 0.41 0.44 O.47 0.50 0.50

1.6 0.03 0.04 0.07 0.14 0.26 0.35 0.42 0,47 0.51 0.54 0.57 0.57

1.8 0.03 0.04 0.07 0.15 0.28 0.37 0.44 0.50 0.54 0.58 0.61 0.61

2.0 0.03 O.O4 0.07 0.15 0.29 0.38 0,46 0.52 0.56 0.60 0.63 0.63

2.5 0.03 0.04 0.08 0.16 0.30 0.39 0.43 0.54 0.53 0.62 0.65 0.65

3.0 0.03 0.04 0.08 0.16 0.31 O.40 0.48 0.55 0.59 0.63 0.66 0.66

- 0.03 0.05 0.08 0.16 0.31 0.40 0.49 0.56 0.60 O.64 0.67 0.72


6.2.3 CONTRACCION SÚBITA La pérdida de energía debido a una contracción súbita bastante complejo, como la esbozada en la figura adjunta se calcula a partir de:



g

vKhL

2

2

2

DONDE: V1 es la velocidad del conducto menor a partir de la contracción. El coeficiente de resistencia K depende de los tamaños de los dos conductos y de la velocidad de flujo. La Tabla muestra diferentes valores de resistencia para contracción súbita.

D1/D2

Velocidad 1

0.6 m/s 2 pie/s

1.2 m/s 4 pie/s

1.8 m/s 6 pie/s

2.4 m/s 8 pie/s

3 m/s 10 pie/s

4.5 m/s 15 pie/s

6 m/s 20 pie/s

9 m/s 30 pie/s

12 m/s 40 pie/s

1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

1.1 0.03 0.04 0.04 0.04 0.04 O.O4 0.05 0.05 0.06

1.2 0.07 0.07 0.07 0.07 0.08 0.08 0.09 0.10 0.11

1.4 0.17 0.17 0.17 0.17 0.18 0.18 0.18 0.19 0.20

1.6 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.25 0.25 0.25 0.24

1.8 0.34 0.34 0.34 0.33 0.33 0.32 0.31 0.29 0.27

2.0 0.38 0.37 0.37 0.36 0.36 0.34 C.33 C.31 0.29

2.2 O.40 O.40 0.39 0.39 0.38 0.37 0.35 0.33 0.30

2.5 0:42 0.42 0.41 0.40 0.40 OJ3 0.37 0.34 0.31

3.0 O.44 0.44 0.43 0.42 0.42 0.40 0.39 0.36 0.33

4.0 O.47 0.46 0.45 0.45 0.44 0.42 O.41 O.37 0.34

5.0 0.48 0.47 0.47 0.46 0.45 0.44 0.42 0.38 0.35

10.0 0.49 0.48 0.48 0.47 0.46 O.45 0.43 0.40 0.36

- 0.49 0.48 0.48 0.47 0.47 0.45 0.44 0.41 0.38


6.2.4 CONTRACCIÓN GRADUAL La pérdida de energía en una contracción puede disminuir sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre los diámetros con cambios abruptos en las junturas.



Los cálculos se realizan empleando la misma relación de la dilatación gradual y el mismo principio.

g

vKhL

2

2

2

El coeficiente K depende de la proporción de diámetros D1/D2 y el ángulo del cono, la figura. Muestra diferentes valores K a ser interpolados.

Figura. COEFICIENTE DE RESISTENCIA – CONTRACCION GRADUAL

Fuente: Robert Mott 1996


Guía Página 74

6.2.5 PERDIDAS DE SALIDA

Durante la salida del flujo de un fluido de un conducto hacia un gran depósito o tanque, como se muestra en la figura su velocidad disminuye hasta casi cero. En el proceso la energía cinética que el fluido poseía en el conducto, indicada por la cabeza de velocidad v2/2g, se disipa. Por lo tanto, la pérdida de energía para esta condición es:

g

vKhL

2

2

1

Ésta se denomina la pérdida de salida. El coeficiente de resistencia es igual a uno (K = 1,0) Y dicho valor se usa sin importar la forma de la salida donde el conducto se conecta con la pared del tanque. 6.2.6 PERDIDAS DE ENTRADA Un caso especial de una can tracción ocurre cuando el fluido fluye desde un depósito o tanque relativamente grande hacia un conducto. El fluido debe acelerar desde una velocidad relativamente despreciable a la velocidad de flujo del conducto. La facilidad con que se realiza la aceleración determina la cantidad de pérdida de energía y por lo tanto, el valor del coeficiente de resistencia de entrada depende de la geometría de la entrada. La figura siguiente muestra cuatro configuraciones diferentes y el valor sugerido de K para cada uno.


Guía Página 75

Los valores del coeficiente K para la entrada redondeada son las siguientes:

r/D2 K

0.00 0.02 0.04 0.06 0.10

>0.15

0.50 0.28 0.24 0.15 0.09 0.01 (Bien redondeada)

Después seleccionar un valor para el coeficiente de resistencia da la figura, podemos calcular la pérdida de energía en una entrada a partir de:

g

vKhL

2

2

2

Donde V2 es la velocidad de flujo en el conducto. 6.2.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA PARA VALVULAS Y JUNTURAS Se dispone muchos tipos diferentes de válvulas y junturas de varios fabricantes para especificación e instalación en sistemas de flujos y pueden ser válvulas de verificación y muchas más. Las junturas dirigen la trayectoria de flujo y ocasionan un cambio en el tamaño de la trayectoria de flujo. Se incluyen los codos de varios diseñes, te, reductores, boquillas y orificios. La pérdida de energía incurrida con flujos de fluido a través de una válvula o juntura se


Guía Página 76

calcula utilizando la ecuación para pérdidas menores ya analizadas. Sin embargo, el método para determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El valer de K se reporta en la forma:

TfD

LeK

El valor de Le/ D, llamado la proporción de longitud equivalente, se reporta en la tabla que se muestra posteriormente y se considera que es una constante para un tipo dado de válvula o juntura. El valor de Le, también se denomina la longitud equivalente y es la longitud del conducto recto del mismo diámetro nominal como la válvula que tendría la misma resistencia que esta. El termino D es el diámetro interno real del conducto. El termino fT es el factor de fricción en el conducto al cual está conectada la válvula o juntura, tomando en la zona de turbulencia completa, como se observa en el diagrama de Moddy donde el factor de fricción es independiente del numero de Reynolds.

RESISTENCIA EN VALVULAS Y EN JUNTURAS EXPRESADA COMO LONGITUD EQUIVALENTE EN DIAMETROS DE CONDUCTOS, Le/D

TIPO LONGITUD EQUIVALENTE EN

DIAMETROS DE CONDUCTO Le/D

Válvula de globo-completamente abierta 340

Válvula de ángulo-completamente abierta Válvula de Compuerta-completamente abierta a) ¾ abierta b) ½ abierta c) ¼ abierta

150 8 35 160 900

Válvula de verificación-tipo giratorio 100

Válvula de verificación-tipo bola 150

Válvula de mariposa-completamente abierta 45

Codo estándar 90º 30

Codo de radio largo de 90º 20

Codo de calle de 90º 50

Codo estándar de 45º 16

Codo de calle de 45º 26

Codo de devolución cerrada 50

Te estándar-con flujo a través de un tramo 20

Te estándar-con flujo a través de una rama 60

Fuente: Válvulas de sifón, IL, Robert Mott 1996

Los valores de fT varían con el tamaño de conducto y de la válvula, ocasionando que el valor del coeficiente de resistencia K también varié. La tabla siguiente enumera los valores de fT para tamaño estándar de conductos de acero comercial nuevo limpio.


Guía Página 77

FACTOR DE FRICCION EN ZONA DE TURBULENCIA COMPLETA PARA CONDUCTO DE ACERO COMERCIAL NUEVO Y LIMPIO

TAMAÑO DE CONDUCTO

NOMINAL (plg)

FACTOR DE FRICCION

fT

TAMAÑO DE CONDUCTO

NOMINAL (plg)

FACTOR DE FRICCION

fT

½ 0.027 4 0.017

¾ 0.025 5 0.016

1 0.023 6 0.015

1 ¼ 0.022 8-10 0.014

1 ½ 0.021 12-16 0.013

2 0.019 18-24 0.012

2 ½, 3 0.018


6.2.8 CODOS DE TUBERIA A menudo es más conveniente curvar, un conducto o tubo que instalar un codo comercial-mente hecho. La resistencia al flujo de un codo depende de la proporción del radio r del codo con el conducto dentro del diámetro D. La figura siguiente muestra que la resistencia mínima ocurre cuando la proporción r/D es aproximadamente tres. La resistencia se da en términos de la proporción de Longitud equivalente Le/D, y por lo tanto, la ecuación K=(Le/D)*fT debe usarse para calcular el coeficiente de resistencia. La resistencia mostrada en la figura incluye tanto la resistencia del codo como la resistencia debido a la longitud del conducto en el codo. Cuando calculamos la proporción r/D, r se define como el radio a la línea del centro del conducto o tubo, denominado el radio medio. Donde r se procede a calcular bajo las siguientes relaciones:

2

DoRir

2

DoRor

2

RiRor


Guía Página 78

Figura. COEFICIENTE DE RESISTENCIA CODO DE RADIO LARGO



Guía Página 79

PROBLEMAS RESUELTOS

P-6.1 Determine la pérdida de energía cuando 30.04[ ]m s de agua fluye de un conducto

estándar Calibre 40 de 6pulg en un depósito grande.

SOLUCION:


6 154.1[ ]D mm

Coeficiente de resistencia a la salida 1.0K

Velocidad de flujo en el conducto:

3

2

0.04[ ]2.145[ ]

(0.1541[ ]) 4

Q m sV m s

A m

Cálculo de la pérdida de energía:

2

2

2

2.145[ ]1.0

2 2 9.8[ ]L

m sVh K

g m s

⟹ 0.2345[ ]Lh m

P-6.2 Determine la pérdida de energía cuando petróleo de una gravedad especifica de 0.87 fluye de un conducto de 4pulg a uno de 2pulg a través de una contracción súbita si la velocidad de flujo en el conducto mayor es de

4.0[ ]pies s .

SOLUCION:

Cociente de los diámetros 4 2D D

4

2

4[ ]2

2[ ]

D pulg

D pulg

Velocidad de flujo en el conducto de 2pulg:

2 4Q Q ⟹ 2 2 4 4V A V A ⟹ 2 2

2 2 4 44 4

V D V D

2

242 4

2

(2) 4.0[ ] 16.0[ ]D

V V pies s pies sD

Obteniendo K de tablas mediante interpolación para una velocidad de 16.0 [pies/s] en el

conducto de 2pulg y para un cociente de diámetro de 2, tenemos K=0.34


Guía Página 80


22

2

2

16[ ]0.34

2 2 32.2[ ]L

pies sVh K

g pies s

⟹ 1.35[ ]Lh pies

P-6.3 Determine la pérdida de energía para una contracción gradual de un conducto de acero Calibre 80 de 5pulg a uno de 2pulg para un caudal de 500 [L/min]. El Angulo de cono para la contracción es 105º.

SOLUCION:


5 122.3[ ]D mm ; 2 49.3[ ]D mm

Velocidad de flujo en el conducto de 2pulg:

3 3

2 2

2

8.33 10 [ ]4.366[ ]

(0.0493[ ]) 4

Q m sV m s

A m

Cociente de los diámetros 4 2D D

5

2

122.3[ ]2.48

49.3[ ]

D mm

D mm

Obteniendo K de tablas mediante interpolación para un cociente de diámetro de 2.48 y un

ángulo de cono de 105º, tenemos K=0.23


22

2

2

4.366[ ]0.23

2 2 9.81[ ]L

m sVh K

g m s

⟹ 0.223[ ]Lh m

P-6.4 Determine la pérdida de energía que ocurrirá si fluye agua de un depósito hacia un conducto con una velocidad de 3 m/s si la configuración de la entrada es un conducto de proyección hacia adentro.

SOLUCION:


Coeficiente de resistencia de entrada 1.0K

Cálculo de la pérdida de energía empleando la siguiente relación:


Guía Página 81

2

2

2

3.0[ ]1.0

2 2 9.81[ ]L

m sVh K

g m s

⟹ 0.459[ ]Lh m

P-6.5 Determine la longitud equivalente en metros de conducto de una válvula de compuerta completamente abierta colocada en un conducto Calibre 40 de 10pulg.

SOLUCION:


10 254.5[ ]D mm

Longitud equivalente válvula de compuerta 8Le D

Factor de fricción conductos nuevos de acero 10Tf 0.014

Calculo de K para la compuerta completamente abierta empleando la siguiente relación.

T= f 8 0.014 0.112Le

KD

Determinando la longitud equivalente en metros, empleando la siguiente relación:

8 8 0.2545[ ]Le D m

⟹ 2.036[ ]Le m

P-6.6 Calcule la diferencia a través de una válvula de un ángulo completamente abierta colocada en un conducto de acero Calibre 40 de 5pulg que lleva 650 [gal/min] de petróleo (sg=0.9).

SOLUCION: Encontrando los valores:

5 0.4206[ ]D pies

Longitud equivalente válvula de ángulo

completamente abierta 150Le D

Factor de fricción conductos nuevos de acero 5Tf 0.016

Empleando la ecuación de la energía en los puntos 1 y 2

2 2

1 1 2 21 2

2 2L

PET PET

P V P VZ h Z

g g

Despejando la diferencia de presión


Guía Página 82

2 2

2 11 2 2 1( )

2L PET

V VP P Z Z h

g

(1)

Cálculo de la pérdida de energía debida a la válvula de ángulo:

2 2

Tf2 2

L

V Le Vh K

g D g

(2)

Velocidad de flujo en el conducto:

3

2

1.448[ ]10.442[ ]

(0.4206[ ]) 4

Q pie sV pies s

A pies

Sustituyendo valores en la ecuación (2) se tiene hL

2

2

10.422[ ]0.016 150 4.048[ ]

2 32.2[ ]L

pies sh pies

pie s

Reemplazando hL en la ecuación (1) y considerando 2 1 0Z Z y 2 2

2 1 2 0V V g por ser

el mismo diámetro en ambos puntos y por constituirse en un mismo nivel.

3

1 2 0 0 4.048[ ] 0.9 62.4[ ]P P pies lb pie

3

1 2 2

1227.34

12

lb pieP P

pie pulg

⟹ 2

1 2 1.579[ ]P P lb pulg

P-6.7 De un depósito grande fluye agua a 10 ºC a una velocidad de 2 21.5 10 [ ]m s a

través del sistema que se muestra en la figura. Calcule la presión en B. DATOS:

4" 97.97[ ]D mm ,

61.5 10 [ ]m , 6 21.30 10 [ ]v m s

Longitud equivalentes codo estándar

30Le D INCÓGNITAS: PB=? SOLUCION: Sabiendo que la velocidad de flujo es:


Guía Página 83

2 3

2

1.5 10 [ ]2.0[ ]

(0.09797[ ]) 4

Q m sV m s

A m


2 2

2 2

2 2

A A B BA L B

H O H O

P V P VZ h Z

g g

Despejando de la ecuación de energía BP y considerando 0AP

2

2 2

( )2

A BB A B L H O

V VP Z Z h

g

(1)

Cálculo deLh para el cual existen tres componentes:

1 2 3Lh h h h (2)

Donde: 2 2

1 1.02 2

B BV Vh K

g g Pérdida a la entrada

2 2 2

2

80.5[ ]f f 821.68 f

2 0.09797[ ] 2 2

B B BV V VL mh

D g m g g Pérdida por fricción

2 2 2

3 T T Tf 3 f 30 3 90 f2 2 2

B B BV V VLeh

D g g g

Perdida por codos estándar

Sustituyendo las perdidas de energia en (2)

2 2 2

T1.0 821.68 f 90 f2 2 2

B B BL

V V Vh

g g g

2

T1.0 821.68 f 90 f2

BL

Vh

g (3)

Cálculo de fT para un conducto de 2 pulg de cobre considerando completa

turbulencia

T

12log(3.7 )

fD ⟹

2 2

T

1 1f 0.0086

2log(3.7 ) 2log(3.7 65313)D

Número de Reynolds:

5

5 2

0.09797[ ] 1.99[ ]1.5 10

1.30 10 [ ]R

DV m m sN

v m s


Guía Página 84

Rugosidad relativa:

[ ]

[ ]

Obteniendo f del diagrama de Moddy f 0.016 y reemplazando los valores en (3)

2

2

(2.0[ ])1.0 821.68 0.0165 90 0.0085 3.126[ ]

2 9.81[ ]L

m sh m

m s

Sustituyendo valores en (1) se tiene BP .

23

2

(2.0[ ])(12[ ] 0[ ]) 3.126[ ] 9.81[ ]

2 9.81[ ]B

m sP m m m KN m

m s

3(12 0.204 3.126)[ ] 9.81[ ]BP m KN m

⟹ 85.05[ ]BP KPa

P-6.8 Del sistema mostrado en la figura se bombeará keroseno ( 0.82sg ) a 20ºC, del

tanque A al tanque B incrementando la presión en el tanque sellado A sobre keroseno. La longitud total de la tubería de acero calibre 40 de 2 pulg. es de 38m, los codos son estándar. Calcule la presión que se requiere en el tanque A para causar una velocidad de flujo de 435L/min. DATOS:

2" 52.50[ ]D mm , 54.6 10 [ ]m , 31.30 10 [ ]v Pa s

Longitud equivalentes válvula

check 150Le D Longitud equivalentes válvula

de ángulo 150Le D SOLUCION: Velocidad de flujo:

3

2

435[ min] 1[m ] 1000[ ] 1[min] 60[ ]3.35[ ]

(0.0525[ ]) 4

Q l l sV m s

A m

Empleando la ecuación de la energia en A y en B

2

2 2

2 2

A A B BA L B

KER H O

P V P VZ h Z

g g

Despejando de la ecuación de energía AP y considerando 0BP


Guía Página 85

2 2

( )2

B AA B A L KER

V VP Z Z h

g

(1)

Cálculo de Lh para el cual existen tres componentes:

1 2 3 4 5 6Lh h h h h h h (2)

Donde: 2 2

1 1.02 2

V Vh K

g g Pérdida a la entrada

2 2

2 T Tf f 1502 2

Le V Vh

D g g Pérdida por válvula check

2 2

3 T Tf f 1502 2

Le V Vh

D g g Perdida por codos estándar

2 2

4 T Tf f 302 2

Le V Vh

D g g Pérdida por codo estándar

2 2

5 1.02 2

BV Vh K

g g Pérdida por salida

22 2

6

38[ ]f f 723.81 f

2 0.0525[ ] 2 2

BVL V m Vh

D g m g g Perdida por fricción

Sustituyendo las pérdidas de energía en (2)

2 2 2 2 2 2

T T T1.0 150 f 150 f 30 f 1.0 723.81 f2 2 2 2 2 2

L

V V V V V Vh

g g g g g g

2

T T T1.0 1 150 f 150 f 30 f 1 723.81 f2

L

Vh

g

2

T2 330 f 723.81 f2

BL

Vh

g (3)

Se obtiene de la misma forma que el caso anterior f 0.019T para un conducto de 2 pulg

de acero nuevo.

Número de Reynolds:

C

Rugosidad relativa:

[ ]

[ ]

Obteniendo f del diagrama de Moddy f 0.023 y reemplazando los valores en (3)

2

2

(3.35[ ])2 330 0.019 723.81 0.023 14.253[ ]

2 9.81[ ]L

m sh m

m s

Sustituyendo valores en (1) y considerando 2 2 2 0A BV V g se tiene AP .


Guía Página 86

A

Válvula de globo

completamente

abierta

B

12 pies

Codo

estándar

34.5[ ] 0 14.253[ ] 0.82 9.79[ ]AP m m kN m ⟹

150.5[ ]AP KPa

P-6.9 El agua del tanque mostrado en la figura se va a hacer fluir hacia un drenaje. Determine el tamaño de la tubería de acero Calibre 40 que transportará al menos 400 gal/min del agua a 80° F a través del sistema mostrado. La longitud total de tubería es de 75 pies. Datos: Q=400 gal/min L=75 pie v = 9,15*10-6 pies2/s ξ = 1,5*10-4 pies SOLUCION:


Despejando la perdida de energía (hL) y considerando PA – PB/γ = 0 y VA = 0

[

]

⁄

Donde los componentes de la perdida de energía son: Donde:


Guía Página 87

Sustituyendo los componentes de la pérdida de energía en (2)

Sustituyendo (3) en (1) y despejando el factor f:

(

)

[

] [

]

Por continuidad

Sustituyendo (5) en (4)

Esta ecuación (6) se utilizará para iterar el diámetro D. Puesto que no podemos despejar D en términos de f, la iteración se llevará a cabo como sigue:

Calculo del número de Reynolds en función del diámetro:

(

)

Calculo de la rugosidad relativa en función de D:

Procedimiento de Iteración 1. Asúmase el valor de D 2. Calcule f en la ecuación (6) 3. Calcule la rugosidad relativa (D/E) empleando la ecuación (8) 4. Calcule el numero de Reynolds empleando la ecuación (7)


Guía Página 88

5. Evalué f y compárelo con el valor calculado en el paso 2 6. Ajuste D de forma que disminuya la diferencia entre los valores de f y repita los

pasos 2-5 hasta que se llegue a un acuerdo con los sucesivos de f. 1. Empecemos con el valor de prueba 0,1723 pies para el diámetro interno,

correspondiendo a una tubería de 2” pulg.

Prueba D (Pies) f (Ec.-6) D/ξ NR f (Moddy) Cambio req. en D

1 0.1723 -0.0184 1143.667 719664.655 0.0196 Aumenta

2 0.2557 -0.0100 1704.667 484936.332 0.0183 Aumenta

3 0.3355 -0.0161 2236.667 369592.310 0.0178 Aumenta**

4 0.4206 -0.0883 2804.000 294113.696 0.0175 Disminuye

Las pruebas 3 y 4 muestran que el valor adecuado de D es mayor que 0.3355 pies (4”) pero menor que 0.4206 pies (5”), en vista que no existe una tubería comercial de 4 ½” se acepta la prueba 3 cuyo D = 4 Pulg Calibre 40.


Guía Página 89

CAPITULO Nº7

“SISTEMAS DE LINEAS EN TUBERIAS EN SERIE”

Este capítulo es la culminación de los capítulos anteriores, en los cuales trato el flujo de fluidos en

tuberías y tubos, donde se han desarrollado los conceptos de velocidad de flujo de fluidos, la

ecuación de continuidad, la ecuación de Bernoulli y la ecuación general de la energía. Se han

definido los fluidos turbulentos y laminar, consecuentemente se ha utilizado el número de

Reynolds para determinar el tipo de fluido en un sistema dado, Se ha dado la forma de calcular las

pérdidas de energía debido a la fricción. Asimismo, hemos establecido los diferentes tipos de

pérdidas secundarias del flujo de fluidos a través de válvulas y herrajes y para cambios de

velocidad o dirección del fluido.

Por supuesto, los sistemas reales de flujo de fluidos con frecuencia contienen varias pérdidas

secundarias así como pérdida de energía debido a la fricción conforme el fluido es entregado de

un punto a otro. Puede utilizarse más de un tamaño de tubería. A tales sistemas se les llama

sistema de línea de tubería en serie.

7.1 CLASIFICACIONES DE SISTEMAS La mayoría de los sistemas de flujo de tubería involucran grandes pérdidas menores. Si el sistema es arreglado de tal forma que el fluido fluye a través de una línea continua sin ramificaciones, éste se conoce con el nombre de sistema en serie. Por otro lado, si el flujo se ramifica en dos o más líneas, se lo conoce con el nombre de sistema en paralelo. Este capítulo trata solamente los sistemas en serie como el que se ilustra en la figura que se muestra a continuación. Si la ecuación de le energía se escribe para este sistema, utilizando la superficie de cada depósito como punto de referencia, se asemejaría a lo siguiente:


Guía Página 90

g

vZ

Phh

g

vZ

PLA

22

2

22

2

2

11

1

Los primeros tres términos del lado izquierda de esta ecuación representan la energía que posee en el punto 1 en la forma de cabeza de presión, cabeza de elevación y cabeza velocidad. De manera similar, los términos del Iado derecho de la ecuación representan la energía que posee el fluido en el punto 2. Los dos términos hA, y hL indican la energía agregada al fluido y la energía perdida del sistema en cualquier lugar entre los puntos de referencia 1 y 2. En este problema, hA es la energía agregada por la bomba. La energía se pierde debido a diferentes condiciones. Podemos decir que:

ctteQ

654321 hhhhhhhL Donde:

hL = Pérdida de energía total. h1 = Pérdida en la entrada. h2 = Pérdida por fricción en la línea de succión. h3 = Pérdida de energía en la válvula. h4 = Pérdida de energía en los dos codos a 90°. h5 = Pérdida de energía por fricción en la línea de descarga. H6 = Pérdida en la salida. Q = Caudal.

En una línea de tubería en serie la perdida de energía total es la suma de las pérdidas individuales grandes y pequeñas.


Guía Página 91

En el diseño o análisis de un sistema de flujo de tubería existen seis parámetros básicos involucrados, llamados:

1. Las pérdidas de energía del sistema o la adición de energía al sistema. 2. La velocidad de flujo de volumen del fluido o la velocidad del fluido. 3. El tamaño de la tubería. 4. La longitud de la tubería. 5. La rugosidad de la pared de la tubería, ε. 6. Las propiedades del fluido como peso específico, densidad y viscosidad.

Normalmente, se determinará uno de los parámetros mientras que los demás se conocen o pueden especificarse por el diseñador. El método de llevar a cabo, el diseño o completar el análisis es diferente dependiendo de lo que no se sabe. Los métodos que describimos en este texto se clasifican de la siguiente manera:

Se determinarán las pérdidas o adiciones de energía. Se determinará la velocidad del flujo de volumen. Se determinará el diámetro de la tubería.

PROBLEMAS RESUELTOS

P-7.1 Según la figura mostrada calcular el caudal en litros/seg y la potencia de la bomba en HP tomando en cuenta que la presión en el punto 2 es 175 KPa. DATOS:

tramo Diámetro (Pulg.)

Longitud (m)

1-2 3 100

2-3 2 60

e=4.6*10-5m Viscosidad cinemática υ= 1.0007*10-6[m2/s] INCÓGNITAS: a) Q=? b) Pott.=?

B

Figura

)1(

)2(

)3(

95.0. compvalk 80.0tbtkk 00.1tktbk64.0º90 codok

Acompval %100..m5

m15


Guía Página 92

3.1 .0.0 ZdesprecHHZdesprec bombaperd

3

2

331

2

11

22Z

g

VPHHZ

g

VPbombaperd

)1...(..........)31()31( ZHH Lbomba

3

2

33)32(2

2

22

22Z

g

VPHZ

g

VPL

3)32(

2

22

2ZH

g

VPL

3

2

2

22

2

22

2*

2Z

g

VK

D

Lf

g

VP

3

2

..º90

2

22

2

22

2**2

2Z

g

VKKK

D

Lf

g

VPtktbcompvalcodo

1581.9*2

*00.195.064.0*20508.0

60

81.9*29810

175000 2

2

2

2

Vf

V

)2.....(..........

00.195.064.0*20508.0

601

81.9*2*9810

17500015

2

32

f

V

232

32

*Re

DV )3.....(..........10*0007.1

0508.0*Re

6

32

V

000906.00508.0

000046.0

32

m

D

e

)4.....(..........Re

51.2

71.3log2

1

calcal f

De

f

SOLUCION:

Balance de energía entre los puntos 2 y 3: Despejamos la velocidad en función del factor de fricción: Numero de Reynolds Rugosidad Relativa

a) La velocidad de las partículas en 1 y 3 es tan pequeña que puede despreciarse, la presión P1/γ=0 y P3/γ=0 (da a la atmosfera). Balance de energía entre los puntos 1 y 3:


Guía Página 93

s

lQ 83.2

s

mDVQ

33

22

3232 10*8272.24

0508.0**3849.1

4

**

)1...(..........)31()31( ZHH Lbomba

)31()32()21( ZHHH LLbomba

)5...(..........2

22

)31(

2

32.

32

3232

2

21

21

2121

Z

g

VKKK

D

Lf

g

VK

D

LfH tktbvalcodotbtkbomba

14.4686910*0007.1

0762.0*0762.0

0508.0*3849.1**

*Re

6

2

21

2

21

3232

212121

DD

DV

DV

000604.00762.0

000046.0

1

m

D

e

0226.021 f

1081.9*2

3849.1195.064.0*2

0508.0

600226.0

81.9*2

6155.08.0

0762.0

1000226.0

bombaH

mHbomba 08.13

Wattms

m

m

NHQP bombabomba 79.36208.13*10*83.2*9810**

33

3

HPPbomba 49.0

Ya despejada las ecuaciones se procederá a la iteración:

Como el f(supuesto)= f(calculado) → V2-3 =1.3849 m/s Ahora se procederá a calcular el Caudal:

Calculo Potencia de la Bomba de Ec. (1): Calculo f1-2: Con la ecuación de colebrook: Remplazando en Ec. (5)

f(supuesto) V2 ec. (2) Re ec. (3) f(calculado) ec.(4)

0.0200 1.4678 74514.35 00.0226

0.0226 1.3877 70447.63 0.0227

0.0227 1.3849 70304.23 0.0227


Guía Página 94

P-7.2 Se encuentra fluyendo agua a 40°C de A hacia B a través del sistema mostrado en la figura. Determine la velocidad de flujo de volumen del agua si la distancia vertical entre las superficies de los depósitos es de 10 m. Ambas tuberías son de hierro cubiertas de asfalto. Los codos son estándar. Encontrando los valores: ν=6,56*10-7 m2/s ξ=1,2*10-4 m Longitud equivalente vál. Mariposa completamente abierta Le/D=340 Longitud equivalente de codo estándar de 90° Le/D=30 Asumiendo D6/D3=1.82 y la velocidad de flujo en el conducto de 3” de 3,5 m/s encontramos K=0,45 SOLUCION:

Empleando la ecuación de energía en A y en B:

Despejando la pérdida de energía:

[

]

Sustituyendo los valores y considerando PA-PB/γAGUA=0 y VA

2- VB2/2g=0

hL = 10m……………………………………………………………………………………….... (Ec.- 1) Velocidad de flujo en ambos conductos: Q6 = Q3 => A6*V6 = A3*V3

A

B

10m

Tubería de 5”

DI=165.2 mm

Longitud total=30m

Tubería de 3”

DI=90.9 mm

Longitud total=55m

Flujo

Alargamiento Repentino

Válvula de mariposa

completamente

abierta


Guía Página 95

V6

2 = (0.3028*V3)2 => V62 = 0.0917V3

2…………………………………………... (Ec.- 2) Perdida de energía en el sistema para el cual existen 8 componentes: hL = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6 + h7 + h8………………………………………….... (Ec.- 3) Donde:

(

) (

)

(Perdida por fricción, 6”)

(Perdida por salida)

Calculo de f3T y f6T, considerando completa turbulencia

[

( ⁄ )

]

[

]


Guía Página 96

[

( ⁄ )

]

[

]

Sustituyendo los componentes de la perdida de energía en (3) bajo una factorización de la velocidad de ambos conductos.

………………….….. (Ec.- 4)

Sustituyendo (1) y (2) en (4)

⁄

√

⁄

………………………………………………………………. (Ec.- 5)

Numero de Reynolds en el conducto de 3”:

⁄

…………………………….… (Ec.- 6)

Rugosidad relativa conducto de 3”:

Comienza el proceso de iteración como prueba inicial f3 = 0.023. Numero de Reynolds en el conducto de 6”:

⁄

……………………………….………….. (Ec.- 7)

Rugosidad relativa conducto de 6”:


Guía Página 97

Comienza el proceso de iteración como prueba inicial f6 = 0.0205. Sustituyendo f3 y f6 en (5)

√

⁄

Calculo de NR para el flujo en ambos conductos, bajo el reemplazó de las velocidades en (6) y (7).

Obteniendo los nuevos factores f3=0.0217, f6=0.0197 y sustituyendo en (5)

√

⁄

Calculo del nuevo NR bajo el reemplazando de la velocidad de flujo de ambos conductos en (6) y (7)

Obteniendo de nuevo factores f3=0.02166, f6=0.01967 y sustituyendo en (5)

√

⁄

Calculo del nuevo NR bajo el reemplazando de la velocidad de flujo de ambos conductos en (6) y (7)


Guía Página 98

Obteniendo de nuevo factores f3=0.02166, f6=0.01967, donde y estas se encuentran inalteradas que la anterior prueba por lo tanto se acepta la velocidad de flujo de 3.463 m/s. Calculo de la velocidad de flujo de Volumen en el sistema:

Nota: No existe diferencia significativa en el coeficiente de resistencia (K) asumido para el alargamiento repentino, por lo tanto no es necesario realizar una corrección en la velocidad.


Guía Página 99

CAPITULO 8

“SISTEMAS DE LINEAS DE TUBERIAS EN PARALELO”

El sistema de línea de tubería se presenta cuando el fluido recorre en una línea continua sin ramificaciones a esto se le llama sistema en serie. Por el contrario si el sistema provoca que el fluido se ramifique en dos o más líneas, se llama sistema en paralelo. 8.1 PRINCIPIOS QUE RIGEN LOS SISTEMAS EN PARALELO El análisis de los sistemas de línea de tubería paralelos requiere el uso de la ecuación general de la energía junto con las ecuaciones que relacionan las velocidades de flujo de volumen en las diferentes ramas del sistema y las expresiones para las pérdidas de carga a lo largo del sistema. Las ecuaciones siguientes establecen los principios que relacionan las velocidades de flujo de volumen y las pérdidas de cabeza, Refiriéndose a la siguiente figura se tienen las siguientes relaciones:

)1(..........21 cba QQQQQ

)2.(..........21 cbaL

hhhh

La ecuación 1 establece la condición de continuidad. El flujo total que entra al sistema Q1 se divide en los tres flujos ramales, Qa, Qb y Qc. Después estos salen por una tubería de salida donde la velocidad de flujo es Q2. Por el principio de continuidad, el flujo de salida en la sección 2 es igual al flujo de entrada en la sección 1. En la ecuación 2 el término hL1-2 es la perdida de energía por unidad de flujo entre los puntos 1 y 2 de las líneas principales. Los términos ha, hb y hc son las pérdidas de energía


Guía Página 100

por unidad de flujo en cada rama del sistema. Se puede demostrar escribiendo la ecuación de energía utilizando los puntos 1 y 2 como puntos de referencia:

)3...(..........22

2

22

2

2

11

1

g

vZ

Ph

g

vZ

PL

PROBLEMAS RESUELTOS

P-8.1 Un sistema de conducción de agua está constituido por tres tuberías que partiendo del punto A convergen en el punto B. Las características de las tuberías son:

Tubería Longitud [m] Diámetro [in] e/D

1 1600 6 0.0003

2 1000 5 0.0004

3 800 4 0.0005

El caudal del agua a través del sistema es de 100 m3/h. La presión en A y B es la atmosférica y el nivel de A está situado 3 m por debajo del nivel de B. Determínese el caudal a través de cada tubería y la potencia teórica de la bomba a instalar. DATOS: Q=100m3/s ZA=3m INCOGNITAS: Q1, Q2, Q3=? Pott=?

1) Caudal supuesto a través de la tubería de 6”

2)

m3


Guía Página 101

3) Para la tubería de 5”

√

√

√


Guía Página 102

CVPbomba 74.2

7)


Guía Página 103

P-8.2 Por una tubería de 25 cm de diámetro interno se transporta petróleo a lo largo de una longitud total de 30 Km con un caudal de 1000 m3/día. Con objeto de aumentar el caudal conservando las mismas presiones de entrada y de salida se conecta a la tubería primitiva, 5 Km antes del lugar de descarga, otra tubería del mismo diámetro y paralela a la primitiva. Si en las condiciones de transporte la densidad del petróleo es 920 Kg/m3 y su viscosidad 5 poises. Determínese el aumento de caudal. DATOS: D=25cm L1=30Km Q=1000m3/d L2=5km ρ=920Kg/m3

INCÓGNITAS: Aumento de Caudal=? SOLUCION:

1LLongitud

DDiametroQFlujo

1Pr Pesion2Pr Pesion

2LLongitud

DDiametro


Guía Página 104

[ ]

P-8.3 Se encuentra fluyendo 100 gal/min de agua a 60 ºF en una tubería de acero Calibre

40 de 2 pulg. en la sección 1. El intercambiador de calor en la rama tiene un coeficiente

de pérdida de k=7.5 basado en la cabeza de velocidad de la tubería. Las tres válvulas están

abiertas completamente. La rama b es una línea de bypass compuesta de tubería de acero

Calibre 40 de 1 ¼ pulg. Los codos son estándar. La longitud de la tubería entre los puntos 1

y 2 en la rama b es de 20 pies. Debido al tamaño del intercambiador de calor, la longitud

de la tubería en la rama es muy corta, por lo que se pueden despreciar las pérdidas de

fricción. De este arreglo, determine:


Guía Página 105

a) La velocidad de flujo de volumen de agua en cada rama.

b) La caída de presión entre los puntos 1 y 2.

SOLUCION: Se desconocen las dos velocidades va y vb, puesto que Q=Av:

De los datos proporcionados, Aa=0,02333 pies2, Ab=0,01039 pies2, Q1=100 gal/min. Expresado Q1 en las unidades de pies3/s obtenemos:

⁄

⁄ ⁄

⁄ ⁄

⁄ á

Se conoce los siguientes datos: faT =0,019 para una tubería Calibre 40 de 2 pulg. Le/D = 30 para cada uno de los codos. Le/D = 340 para una válvula de globo abierta completamente. Entonces:

⁄

⁄ ⁄

Para la rama b:

⁄ ( ⁄ ) ⁄ (

⁄ ) ⁄ ( ⁄ )

á Los datos conocidos son: FbT =0,022 para una tubería Calibre 40 de 1 ¼ pulg. Le/D = 30 para cada uno de los codos. Le/D = 340 para una válvula de globo abierta completamente. Entonces:

( ⁄ ) (

⁄ ) ⁄ ( ⁄ )

( ⁄ )

Esta ecuación presenta la incógnita adicional, fb. Podemos utilizar el proceso de iteración. La rugosidad relativa de la rama b ayudará en la estimación del primer valor de la prueba para fb.

⁄ ⁄


Guía Página 106

Del diagrama de Moody una estimación lógica para el factor de fricción fb=0,023. Sustituyendo este en la ecuación para hb obtenemos:

( ⁄ ) (

⁄ )

Ahora tenemos:

⁄ (

⁄ )

Despejando va obtenemos:

Entonces:

Después tenemos que:

⁄

[ ]

⁄ ⁄

⁄ Puesto que realizamos estos cálculos utilizando un valor supuesto para fb, deberíamos verificar la exactitud del supuesto. Podemos evaluar el número de Reynolds para la rama b.

⁄

De tablas =1.21*10-5 pies2/s. Entonces: ⁄

Utilizando este valor y la rugosidad relativa de 767 de ante, en el diagrama de Moody obtenemos un nuevo valor para fb=0,25. Debido a que este valor es muy diferente del valor supuesto de 0,023, podemos repetir los cálculos:

( ⁄ ) (

⁄ )

⁄ Igualando las pérdidas de cabeza en las dos ramas:

⁄ ⁄

Despejando las velocidades:


Guía Página 107

Sustituyendo este valor en la ecuación de vb utilizada anteriormente obtenemos:

⁄

[ ]

⁄

⁄

⁄

Al volver a calcular el número de Reynolds para la rama b obtenemos: ⁄

⁄

No existe un cambio significativo en el valor de fb. Por lo tanto, los valores de las dos velocidades calculadas anteriormente son correctos. Ahora calculamos las velocidades de flujo de cabeza Qa y Qb:

⁄

⁄

⁄

⁄

Convirtiendo estos valores a las unidades de gal/min obtenemos Qa=74,5 gal/min y Qb=25,5 gal/min Para calcular la caída de presión, podemos escribir la ecuación de la energía utilizando los puntos 1 y 2 como puntos de referencia. Puesto que las velocidades y elevaciones son las mismas en estos puntos, la ecuación de la energía es:

Despejando la caída de presión obtenemos:

Puesto que hL1-2=ha=hb: Entonces:

⁄ ⁄

Observe que esto no toma en cuenta las pérdidas secundarias. Entonces tenemos que:

⁄

⁄


Guía Página 108

CAPITULO 9

“CONDUCCIONES RAMIFICADAS” 9.1 Conducciones ramificadas.- Cuando dos o más tuberías convergen en uno o más puntos y el fluido circula por el conducto principal y las ramificaciones, el sistema de conducción se denomina ramificado. Los problemas que pueden presentarse en este caso son muy variados, y para su resolución puede seguirse el método indicado en el siguiente ejemplo.

PROBLEMAS RESUELTOS P-9.1. Una instalación- petrolífera descarga el petróleo en dos depósitos A y B situados a 25m y 10m de altura sobre un tercer depósito almacén C. De los depósitos A y B parten sendas tuberías de 30 cm de diámetro que confluyen en un punto D, conectándose allí con una tubería de diámetro 50 cm que va hasta el depósito C. La longitud de las tuberías que parten de los depósitos A y B es de 800 m, y la que va desde la confluencia de las tuberías anteriores hasta C mide 200 m. Si en las condiciones del transporte la viscosidad del petróleo es 7.10-4 Kg/m*seg, y la densidad 870 Kg/m3, determínese el caudal horario de petróleo descargado en C. SOLUCION: Considerando como nivel de referencia para las alturas el del depósito más bajo, y prescindiendo de las cargas cinéticas, la aplicación de la ecuación de energía a cada ramificación entre cada depósito y el punto de confluencia de las tuberías, nos lleva a

1fADAD hZZ

PP

2fBDBD hZZ

PP

3fDCD hZ

PP

Teniendo en cuenta que PA= PB = PC= presión atmosférica, las cargas de presión son

A

B

m25m10

C

Figura

D


Guía Página 109

análogas en las ecuaciones anteriores; Designando por Dh a l suma de la carga de presión

y la carga de altura en D, tendremos:

El problema podemos resolverlo por tanteo, dando un valor arbitrario a Dh ,

determinando los valores de las cargas de fricción para este valor de Dh , y calculando

después los valores de 1Q , 2Q y 3Q , según el método indicado en el ejemplo 1-8.

Si tomamos para Dh un valor menor que Dz ha de cumplirse que:

321 QQQ [A]

En caso de no cumplirse esta igualdad, si resulta menor

mayor nos indica que el valor

tomado para Dh es alto

bajo, siendo necesario variar el valor de Dh hasta que se cumpla la

igualdad [A].

Si tomamos para Dh un valor mayor que Bz , ha de cumplirse que:

321 QQQ [B]

En caso de no cumplirse esta igualdad, si resulta menor

mayor nos indica que el valor

tomado para Dh es alto

bajo, siendo necesario variar el valor de Dh hasta que se cumpla la

igualdad [B].

1er tanteo: valor supuesto para Dh =5m

Ramificación AD

5

1

1

410*53.134260

800

3.0*81.9*2

10*7

870*3.0Re

f

fh

hf

00016.0D

5.81

f

segmhf

u f /30.3*0867.01

11

hmQ /820 3

1

Ramificación BD 410*66.7Re f

00016.0D

3

2

1

fD

fDB

fDA

hh

hhz

hhz


Guía Página 110

2.81

f

segmu /57.12

hmQ /410 3

2

Ramificación DC

5

3

53

410*83.210*267.1

200

5.0*81.9*2

10*7

870*5.0Re

f

fh

hf

00009.0D

0.91

f

segmhf

u f /46.4*221.01

33

hmQ /3150 3

3

Como este valor de 3Q es mayor que 123021 QQ , hemos tomado para Dh un valor

muy alto.

2do tanteo: valor supuesto para Dh =2m

Ramificación AD 510*64.1Re f

5.81

f

segmu /46.31

hmQ /920 3

1


2.81

f

segmu /96.12

hmQ /520 3

2

Ramificación DC 510*80.1Re f

7.81

f

segmu /73.23

hmQ /1930 3

3


Guía Página 111

Par el valor tomado de Dh =2m, aun resulta 3Q mayor que la suma 144021 QQ ;

sin embargo, ya nos encontramos ante valores próximos, y podemos observar que, aun

siendo muy diferentes los valores encontrados para 3Q en los tanteos anteriores, el valor

de f/1 varia poco, siendo también pequeña la variación relativa de 21 QQ frente a la

de 3Q . Esto nos lleva a poder invertir el razonamiento y suponer para 3Q un valor próximo

al de 21 QQ encontrado en el segundo tanteo, y calcular el valor de Dh que le

corresponde a este caudal, efectuando el tercer tanteo con el valor calculado de Dh .

Tomamos

hmQ /1500 3

3

segmu /20.23

mh f 25.13

3er tanteo: valor supuesto Dh =1.25m

Ramificación AD 510*67.1Re f

5.81

f

segmu /51.31

hmQ /936 3

1


4.81

f

segmu /11.22

hmQ /570 3

2

Ramificación DC 510*42.1Re f

65.81

f

segmu /14.23

hmQ /1513 3

3

El valor de hmQQ /1506 3

21 ; por tanto, para este valor de Dh =1.25m se cumple la

concordancia deseada, y podemos tomar para el caudal total el valor de hm /1506 3 .


Guía Página 112

P-9.2 Para el sistema de tres ramas que se muestra en la figura, determine la distribución de flujo de Qi de agua y la carga piezometrica H en la unión. El aporte de potencia al fluido por parte de la bomba es constante, e igual a γQHp=20kW. Suponga factores de fricción constantes.

Tubo L [m] D [m] f ∑K

1 50 0.15 0.020 2

2 100 0.10 0.015 2

3 300 0.10 0.025 1

SOLUCION: Los equivalentes de los coeficientes de resistencia se calculan de la siguiente forma: Considerando: Se tiene: Suponiendo las direcciones de flujo que se indican. La ecuación de energía para el tubo 1 desde el depósito hasta la unión B es: Donde H es la carga piezometrica en B. Sustituyendo los parámetros conocidos y despejando H se obtiene:

Figura

malt 20

malt 5

malt 13

2

3

1P B

mxLe 15202.0

15.01

mxLe 7.61015.0

10.02

mxLe 41025.0

10.03

523

521 /1042.1

15.081.9

6502.08msx

xx

xxR

524

522 /1032.1

10.081.9

7.106015.08msx

xx

xxR

524

523 /1028.6

10.081.9

304025.08msx

xx

xxR

522

2

2

2

8

4

2

Dxxg

Lxfx

Dxv

g

v

D

Lxf

Q

hR L

i

2

111 QRHHZ P

2

1

3

1

3

1042.19800

102010 Qx

Q

xH

2

1

1

14204.2

10 QQ

H


Guía Página 113

Para la iteración se estima un valor de Q1; luego se calcula H y se evalúa Q2 y Q3 con las relaciones: En la última columna de la tabla se utiliza un balance de continuidad para verificar la exactitud de la estimación de Q1. La tercera estimación de Q1 se basa en una interpolación lineal haciendo ∑Q=0 y utilizando valores de Q1 y ΔQ de la dos primeras iteraciones.

Iteración Q1 H Q2 Q3 ΔQ= Q1--Q2-Q3

1 0.050 47.25 0.0362 0.0227 -0.0089

2 0.055 42.80 0.0311 0.0210 +0.0029

3 0.054 43.64 0.0322 0.0214 +0.0004

La solución aproximada es H=43.6m, Q1=54 l/s, Q2=32 l/s, Q3=21 l/s.

2/1

4

2/1

2

22

1032.1

30

x

H

R

ZHQ

2/1

4

2/1

3

33

1028.6

15

x

H

R

ZHQ


Guía Página 114

CAPITULO 10

“FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES”

En los ejemplos indicados anteriormente hemos hecho aplicación de la Ec. de energía considerando los fluidos incompresibles; en el caso de flujo de gases no podemos hacer esa suposición, para la deducción de una ecuación aplicable para estos casos podemos partir de la Ec. de energia, que escrita en forma diferencial (suponiendo que el flujo es horizontal y que no realiza trabajo ni se le suministra calor), se convierte en:

02

2

gD

dLuf

dp

g

udu

Esta ecuación no puede integrarse directamente debido a que la velocidad u varia al variar p, que a su vez es función de la longitud L. Es conveniente poner la ecuación anterior en función de la velocidad másica G, que es la misma en cualquier punto de la canalización. Tendremos en cuenta las relaciones que indicamos seguidamente para su sustitución en la ecuación anterior:

102

,,

22

D

dL

g

VGf

V

dp

g

g

g

GdVGV

GdvduA

WGuu

V

uG

c

Dividiendo por V2

202

22

D

dL

g

Gf

V

dp

g

g

V

dV

g

G c

Para integrar esta expresión es necesario tener en cuenta que f es función del Re = DG/μ, que es independiente de la densidad del fluido, pero que depende de la viscosidad del mismo. De todos modos, la variación de f con la viscosidad es pequeña, y prácticamente podemos tomar la media aritmética de los valores correspondientes a las condiciones extremas:

2

21 fff

Y considerar este valor constante para efectos de integración. En tales condiciones la integración de la Ec. [1-27] entre los estados 1 y 2 nos lleva a:

302

ln22

11

2

2

D

L

g

Gf

V

dp

g

g

V

V

g

G c

Flujo isotermo de un gas ideal.- En este caso particular

42

1

11

2

1

2

2

2

111

2

1Vp

ppdpp

VpV

dp

Y

2

1

1

2

p

p

V

V


Guía Página 115

Luego

5022

ln2

11

2

1

2

2

2

1

2

D

L

g

Gf

Vp

pp

g

g

p

p

g

G c

Si designamos por Vm el volumen especifico a la presión media, podemos escribir:

1121

2VpV

ppm

Y

6

1

2212

11

1212

11

2

1

2

2 ppVVp

pppp

Vp

pp

m

Entonces

702

ln2

12

2

1

2

D

L

g

Gf

V

pp

g

g

p

p

g

G

m

c

Si la caída de presión a lo largo de la canalización es pequeña en relación con la presión total, el primer termino de la Ec. [1-32], que representa el aumento de la energía cinética del fluido, será pequeño y despreciable frente a los otros dos, y en tales condiciones

802

2

12

D

L

g

Gf

V

PP

cm

Y de aquí:

D

L

g

GfVPP

c

m2

*2

12

92

1

2

1*

2

2

2

D

Lu

gf

D

L

V

u

gfV mm

m

m

c

m

Siendo um y γm la viscosidad y el peso especifico del fluido a la presión media de p1 y p2. Donde: P1= Presión de entrada a la tubería P2= Presión de salida de la tubería Vm= [1/γm] Volumen especifico promedio a Pm (P1+P2/2) γm= Peso especifico promedio a Pm (P1+P2/2) f= factor de fricción L= Longitud de la tubería D= Diámetro interno de la tubería G=Gasto R= Constante universal de los gases M= Peso molecular del gas ρ= Densidad v= Velocidad


Guía Página 116

PROBLEMAS RESUELTOS

P-10.1 Desde una instalación productora de acetileno hasta el lugar de ampliación situado

a 5000 [ ] se transporta este a razón de100 [

] (Medidos en condiciones normales) por

una tubería de hierro de 5´´. Determine ser la presión a que se encuentra el acetileno cuando entra en la tubería si en el lugar de aplicación (a la salida de la tubería) ha de encontrarse a 1 [ ] de presión. El flujo del acetileno a través de la tubería es isotermo a 25

(La densidad del acetileno a 0 y 1 [ ] es 1.1708 [

], y su viscosidad a 25 Es

poises. Las características de la tubería se dan en la tabla a-19.) SOLUCIÓN:

[

]

Haciendo uso de la Ec.

[

]

[ ]

A continuación se determina el valor de correspondiente a la presión media, efectuándose el cálculo por tanteo: 1er. Tanteo: presión supuesta, [ ]

[

]

[ ]

mg

G

D

LfPP

*2*

2

21


Guía Página 117

2do. Tanteo: presión supuesta, [ ]

[

]

[ ]

3er. Tanteo: presión supuesta, [ ]

[

]

[ ]

Como resultado encontramos que la presión a que ha de entrar en la tubería ha de ser 11,80[ ]. P-10.2 Por tubería de hierro de 3 ´´ circula una corriente de hidrógeno con un caudal de

500

, medido a 0 y 1 [ ]. La longitud total de la tubería, incluidos los accesorios,

es de 400 [ ] Y la presión de entrada del hidrógeno en la tubería es de 30 [ ]. Determine ser la presión de salida si el flujo es isotérmico a 20 . El factor de compresibilidad para el hidrógeno a 20 . En función de la presión es el indicado en la tabla siguiente.

Presión Atm z

1 1.0732

10 1.0791

20 1.0855

30 1.0920

40 1.0985

La viscosidad puede suponerse invariable con la presión, y a 20 . Vale 0.009 cent poises.

La densidad a 0 y 1 Atm. es 0.0898 [

].

SOLUCIÓN:

A partir de la Ec. [7] despreciando el primer término y haciendo

, tenemos:

En las condiciones del problema:

[

] [

]


Guía Página 118

Sustituyendo en Ec. [1-35]

[

] [ ]

Por tanto, la presión vendrá dada por:

La resolución de esta ecuación la efectuaremos por tanteo: 1er. Tanteo: presión supuesta, [ ]

[ ]

1er. Tanteo: presión supuesta, [ ]

[ ]

La presión debida es de 24 [ ] O sea que la pérdida de presión por fricción a lo largo de la tubería es de 6 [ ] En realidad, podíamos haber resuelto el problema admitiendo que el hidrógeno se comporta como gas perfecto en este intervalo de presiones, ya que aproximadamente es así, podemos observar en la pequeña diferencia del factor de compresibilidad respecto a la unidad para el intervalo de presiones que hemos considerado. P-10.3 De llevarse aire a 25 Por una tubería de 3´´ a lo largo de una conducción de 2000 [ ] De longitud total. El aire entra en la tubería a 2 [ ] De sobrepresión, y se desea conocer la presión de

salida si en el lugar de aplicación se necesitan 1000 [

] (Las características del tubo y del

fluido se dan en tablas) SOLUCIÓN: Teniendo en cuenta que el fluido es isotérmico y suponiendo que el gas se comporta como ideal, haremos uso de la Ec. [7], calculando, en primer lugar, el último término de esta ecuación, que es correspondiente a la fricción.


Guía Página 119

En las condiciones del problema:

[

] [

]

El término correspondiente a la fricción valdrá:

[

]

La primera aproximación podemos escribir el término cinético

(

) quedando entonces:

[

]

Que podemos poner de la forma:

Siendo La presión media entre resolviendo la ecuación anterior por tanteo tenemos:

P supuesta [Atm] P calculada [Atm]

2 2.85

2.85 2.44

2.50 2.58

256 2.56

Con esta presión calculada determinaremos ahora el valor del término cinético.

(

)

Observamos que éste término resulta casi despreciable frente al correspondiente al de la fricción, siendo innecesario efectuar corrección alguna para el valor de este término que no hemos tenido en cuenta en primera aproximación. Si este término resultara significativo, sería necesario incluirlo al efectuar el cálculo por tanteo. En general, suele ser despreciable, y su supresión facilita los cálculos.


Guía Página 120

CAPITULO 11

“MEDIDORES DE CAUDAL”

P-11.1 Un tubo de pitot se introduce en el centro de una tubería de acero calibre 80 y diámetro de 2 plg que conduce N2 registrándose una lectura de 50 mm de agua en un manómetro inclinado (1/15) en conexión con el pitot la temperatura del nitrógeno es 15ºC y la presión es 850 mmhg. Determine el caudal referido a condiciones normales de presión y temperatura. DATOS: SOLUCION: D (3”)= 77.9mm h= 50mmH2O Pendiente= (1/15) T= 15ºC P= 850mmHg Incógnitas: Q=? Calculo de la densidad:

3/32.1/32.1

288**

*4.62

/28*850mkglg

KmolK

lmmHg

molgmmHg

RT

PM

Calculo de la diferencia de presión entre A y B:

233

2 /62.32/)1000*81.9(*10*326.3* mNmNmhP OH

Balance de energía entre A y B:

BBB

AAA Z

g

vPZ

g

vP

22

22

0

200

2

g

vPP BBA

Despejando la velocidad:

2*2*

Pg

PvB smvB /03.72*

32.1

623.32

Calculo del caudal:

22 )0779.0(4

*/03.74

** msmDvAvQ BBB

smQ /0335.0 3

Calculo del ángulo:

º814.315

1

15

1 1

tgtg

msenmsenLh 310*326.3º814.3*05.0*

hL


Guía Página 121

P-11.2 En una tubería de acero de diámetro interno 22 cm, que conduce agua a 10 ºC, se hace una exploración en 10 puntos con un tubo de Pitot. El manómetro indicador empleado tiene en una de sus ramas tetra cloruro de carbono (ρ=1,60). Para explorar de modo adecuado la sección normal del conducto se divide aquella en cuatro anillos concéntricos y un círculo central, todos de la misma área. Se hacen las lecturas a lo largo de un diámetro, en la intersección con la circunferencia bisectriz de cada anillo (y en la del círculo central), obteniéndose los resultados siguientes:

Distancia al centro del tubo,

% del radio

Lectura del manómetro, mm

------------ -------------- 31,6 ………………………………. 228 54,8 ………………………………. 204 70,7 ………………………………. 168 83,7 ………………………………. 132 94,8 ………………………………. 84

Determínese:

a) El caudal de agua, en m3/h; b) La lectura manométrica que obtendríamos situando el tubo de Pitot en el centro

de la tubería. SOLUCIÓN:

a) La carga cinética vendrá dada por la expresión

mhhhOH

OHCCl

K

43 10*6**10*

2

24

En los cinco puntos explorados las cargas cinéticas valen:

mhK 1368,0228*10*6 4

1

mhK 1224,0204*10*6 4

2

mhK 1008,0168*10*6 4

3

mhK 0792,0132*10*6 4

4

mhK 0504,084*10*6 4

5

Las velocidades en cada uno de los puntos serán:

KghPg

u 2)(2

segmu 639,11

segmu 550,12


Guía Página 122

segmu 406,13

segmu 247,14

segmu 994,05

La velocidad media correspondiente a estos cinco valores es

segmu 367,1

El caudal será

hmsegmQ 332 187052,011,0**367,1

hmQ 3187

b) 5

310*31,2

10*3,1

1000*22,0*367,1

eR

81,0máxuu

segmumáx 688,1

145,02

2

g

uhK

mmh 2426,0

10*145,0 3

Tiempo de descarga.- Cuando un depósito en el que esta contenido un líquido se está descargando, desciende el nivel del líquido en el mismo; la velocidad de salida disminuirá a medida que va descendiendo el nivel del líquido, y por tanto el tiempo de descarga de un volumen determinado de líquido dependerá de aquel nivel. En el ejemplo siguiente hacemos un estudio de este problema. P-11.2 Un deposito cilíndrico de 1 m de diámetro y 4m de altura está lleno de agua a 200C. Perpendicularmente al fondo del depósito esta conectando un tubo de 1.5´´ y 5 m de longitud a través del cual de vacía. Calcúlese el tiempo que tarda en descender 1 m el nivel de agua en el depósito. SOLUCIÓN: Considerando un punto del depósito a una altura z, al descender al nivel dz en el tiempo dt, el caudal vendrá dado por:

dt

dzAQ dep [A]

En este instante, a través del tubo de sección A2, circulara el mismo caudal

Q = A2 u2 [B]


Guía Página 123

Podemos considerar que la velocidad u1 del agua dentro del depósito es despreciable frente a la velocidad u2 en el tubo. Si tomamos como plano de referencia para alturas el punto inferior del tubo (z2 = 0), la aplicación de la Ec. de energía nos conduce a la expresión:

DfL

gzuhz

g

uf

/1

2;0

221

2

2

Igualando las expresiones [A] y [B], una vez sustituido el valor de u2 en [B], tendremos:

12

/12

2

/1

/1

2

2

1

2

1

2

1

21

finalinicial zzg

DfL

A

At

dzzg

DfL

A

Adt

DfL

gzA

dt

dzA

Para efectuar la integración hemos supuesto que f es constante; en realidad no ocurre esto y debemos operar con un valor medio adecuado, cuyo cálculo se verifica del modo siguiente: Cuando empieza a descargarse el depósito (z = 9)

)10*9.40/(1

9*8.9*232

fL

u

La longitud total serán los 5 m de tubería más la longitud equivalente al estrechamiento brusco, que vale 0.6 m; por lo tanto L = 5.6 m y:

fu

1371

3.132

El valor de f lo determinaremos por tanteo: 1. er tanteo: Suponemos u2 = 10 m/seg. Re = 4.08*105 ε/D = 0.0012 f = 0.0205 u2 = 6.81 m/seg. 2. ° tanteo: Suponemos u2 = 6.81 m/seg. Re = 2.78*105

f = 0.0212 u2 = 6.73 m/seg. 3. ° tanteo: suponemos u2 = 6.73 m/seg. Re = 2.75*105 f = 0.0212 u2 = 6.73 m/seg. En consecuencia, el valor de f al principio de la operación es: f = 0.0212


Guía Página 124

Después de descender 1 m el nivel de agua en el depósito, la velocidad de salida vendrá dada por:

fu

1371

53.122

Y el valor de f lo determinamos por tanteo igual que en el caso anterior 1. er tanteo: Suponemos u2 = 6 m/seg. Re = 2.45*105 f = 0.0210 u2 = 6.37 m/seg. 2. ° tanteo: Suponemos u2 = 6.37 m/seg. Re = 2.60*105 f =0.0210 u2 = 6.37 m/seg. En consecuencia, el valor de f al final de la operación es:

f = 0.0210 El valor medio de f será f = 0.0211 El tiempo necesario para descender el nivel en el depósito desde los 4 m hasta los 3 m será

segt

t

91829.23445.0*1196

8981.9*2137*0211.01

10*09.4

242

segt 91

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Guia Operaciones Unitarias 2