Mechanic engineer

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PERDIDAS EN TUBERIAS

Cuando se desea trasladar un fluido de un lugar a otro por medio de tuberías. En general se presenta el problema de qué potencia se debe suministrar para que el fluido pueda moverse hasta el sitio deseado. Este parámetro dependerá principalmente de la geometría de la tubería, su longitud, las propiedades del fluido y las condiciones que se desean a la salida de la tubería.Para comprender las pérdidas en tuberías, es necesario comprender antes los parámetros de los que dependen estas.

La ecuación de la potencia necesaria para que el fluido llegue hasta cierto punto es:
W=ρgQhTηs

Como se puede observar, la potencia necesaria considera las pérdidas en tuberías (hT), el flujo o caudal deseado (Q), una eficiencia del sistema (ηs), así como la densidad delfluido (ρ). Las perdidas en tuberías se determinan de la siguiente manera:
hT=he+hf

Como se puede observar, la pérdida total es la suma de la carga estática (he) y las perdidas por fricción (hf).
La carga estática es la altura que debe vencer el flujo para moverse. Mientras que las perdidas por fricción se deben (como su nombre lo indica) a la fricción del fluido con las paredes de la tubería.hf=8fLQ2gπ2D5 (1)

Como se puede observar, las pérdidas por fricción dependen del diámetro de la tubería (D), de la longitud de la tubería (L), del caudal (Q) y de un factor “f” o factor de fricción.
La forma de obtener las pérdidas por fricción puede variar dependiendo de los parámetros necesarios, por ejemplo:
hf=fLV22gD (2)

En este caso, las pérdidas de fricción dependen dela longitud de la tubería (L), la velocidad del fluido (V), del diámetro de la tubería (D) y de un factor de fricción “f”.

Las dos ecuaciones para obtener las pérdidas por fricción son equivalentes:
Conociendo que: Q=VA; A=πD22
Sustituyendo en la primer ecuación (1)
hf=8fLQ2gπ2D5=8fLV2π2D216gπ2D5 fLV2π2D42gπ2D5=fLV22gD

Por lo tanto:
hf=fLV22gD=8fLQ2gπ2D5

El factor defricción se puede obtener de manera analítica o utilizando el diagrama de Moody.

f=0.25log13.7065εD-5.0452Relog12.8257εD1.1098+5.8506Re0.8981

f=8τwρV2

f= 0.316Re-14 4000<Re<1051.8 logRe6.9-2

Existen distintas formas de calcular analíticamente el factor de fricción, estas formulas no arrojan resultados exactos, solo arrojanaproximaciones del factor de fricción, por lo que se deben realizar operaciones iterativas para poder obtener un resultado con un margen de error pequeño.

Como se puede observar tanto en la ecuación como en el diagrama de Moody, el factor de fricción depende del número de Reynolds (Re) y de la rugosidad o aspereza relativa. A su vez, la rugosidad relativa depende de la rugosidad de la tubería (ε) (la cualvaría dependiendo del material y de su manufacturación) y de la longitud de la tubería (D).

El número de Reynolds se define como la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas del fluido. Proporciona una indicación de la perdida de energía causada por los efectos viscosos.
A partir del número de Reynolds podemos conocer las características principales del fluido, así como elrégimen de flujo (laminar o turbulento).

Un flujo laminar se caracteriza por velocidades muy bajas, el comportamiento de este flujo, como su nombre lo dice asemeja “laminas” de fluido las cuales no interactúan entre sí. Las aplicaciones de flujos laminares son muy limitadas debido a las bajas velocidades necesarias para que se presente este régimen de flujo, aun así se utiliza en la industriafarmacéutica o alimenticia para la esterilización del aire.

El flujo turbulento se caracteriza por no tener un comportamiento tan predecible, se `presenta a velocidades medias altas y (por el contrario del flujo laminar) se presenta una mezcla transversal del fluido.

0< Re <1 | Flujo laminar altamente viscoso |
1< Re <100 | Flujo laminar, alta dependencia al número de...
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