Criterio de diseño de tuberias

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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Química

Ingeniería de Fluidos
Criterios de Diseños de Tuberías

Diseño de sistema de tuberías
El sistema de tuberías es una parte esencial en el diseño de una planta química. Para cuando un ingeniero se encuentre diseñando el sistema de tuberías de una planta debe tomar en cuenta los siguientes aspectos:
1. Elección de materiales ymedidas de la tubería.
2. Efectos de la temperatura y sus cambios.
a) Aislantes
b) Expansión térmica
c) Congelamiento
3. La flexibilidad necesaria para que la tubería aguante tanto cargas físicas como choques térmicos.
4. Tomar en cuenta soportes y anclaje de la tubería.
5. Alteraciones en el sistema y en el servicio.
6. Mantenimiento e inspección.
7. InstalaciónCómoda
8. Bombas y líneas auxiliares.
9. Seguridad
a) factores de diseño
b) válvulas de escape

1. Elección de materiales y medidas de la tubería.

a) Diámetro óptimo
Ya tomando en cuenta estos factores antes del diseño de la tubería, lo primero que se debe hacer es elegir el diámetro de la tubería. También se deben considerar los factores económicos para determinar eldiámetro óptimo de la tubería. El diámetro óptimo es aquel que dé el menor costo total anual y los costos de reparación del sistema de tuberías.
Pata determinar este diámetro óptimo existen varios métodos. Uno de los métodos cortos se basa en utilizar criterios heurísticos, que en este caso se darán velocidades recomendadas, y se estiman los diámetros óptimos. Se muestra a continuación latabla que data del año de 1980:
a) Para flujo Turbulento:
Tipo de Fluido | Velocidad recomendada (ft/s) |
Agua o un fluido similar | 3-10 |
Vapor de baja presión (25psig) | 50-100 |
Vapor de alta presión (100psig o mayor) | 100-200 |
Aire a presión ordinaria (25-50psig) | 50-100 |

b) Para Flujo laminar:
Diámetro nominal de la tubería (in) | Velocidad recomendada (ft/s) |
|μ=50cp | μ=100cp | μ=1000cp |
1 | 1.5-3 | 1-2 | 0.3-0.6 |
2 | 2.5-3.5 | 1.5-2.5 | 0.5-0.8 |
4 | 3.5-5 | 2.5-3.5 | 0.8-1.2 |
8 | | 4-5 | 1.3-1.8 |

Con dichas velocidades recomendadas se puede calcular la sección del tubo, conociendo ya el flujo, y así se aproximan al diámetro comercial más cercano.
Debido al incremento de costos de la energía debido a problemas económicos de los pasados30 años, estas velocidades recomendadas van cambiando, para reducir el consumo de energía. Estas velocidades decrecen aproximadamente 20% de su estimado inicial. Por ejemplo:
Velocidades recomendadas para el año de 1968:
| Densidad(lb/ft3) | Viscosidad (cP) | Velocidad recomendada(ft/s) |
líquidos | 100 | 1.0 | 6.5 |
| 6.4 | 1.0 | 7.4 |
| 50 | 1.0 | 7.9 |
gases | 1.0 | 0.02 | 31 || 0.1 | 0.02 | 61 |
| 0.075 | 0.02 | 67 |
| 0.01 | 0.02 | 122 |
Ahora veremos una ya no tan reciente, pero con estos datos podremos comparar el cambio de las velocidades recomendadas para el año 1998:
| Densidad(lb/ft3) | Viscosidad (cP) | Velocidad recomendada(ft/s) |
líquidos | 100 | 1.0 | 5.0 |
| 6.4 | 1.0 | 5.7 |
| 50 | 1.0 | 6.1 |
gases | 1.0 | 0.02 | 24 |
| 0.1 | 0.02| 47 |
| 0.075 | 0.02 | 53 |
| 0.01 | 0.02 | 94 |
También se pueden utilizar ecuaciones para determinar el diámetro óptimo económico de la tubería, estas ecuaciones resultan de la combinación de ecuaciones de con las cuales se calcula el costo anual del sistema de tuberías y de bombas. Las siguientes ecuaciones son las que se obtienen:
Para flujo turbulento (para un numero de Reynoldsmayor a 2100)

Y Para flujo laminar (para un numero de Reynolds menor a 2100)

Donde:
* X es el costo de una tubería nueva por pie de tubería si el diámetro de la tubería fuese de 1pulgada.
* n es una constante que depende del tipo de tubería.
* F es el porcentaje del costo de la instalación de la tubería nueva.
* KF son los cargos anuales de reparación expresados como una...
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