INTRODUCCION AL FLUJO EN TUBERIAS

INTRODUCCION AL FLUJO EN TUBERIAS

TUBERÍA EN SERIE
El estudio del flujo en sistemas de tuberías es una de las aplicaciones más comunes de la mecánica de fluidos, esto ya que en la mayoría de las actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Por ejemplo la distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, elflujo de aire por ductos de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, flujo de aceite en los sistemas hidráulicos de maquinarias, el flujo de de gas y petróleo en la industria petrolera, flujo de aire comprimido y otros fluidos que la mayoría de las industrias requieren para su funcionamiento, ya sean líquidos o gases.
El transporte de estos fluidos requiereentonces de la elaboración de redes de distribución que pueden ser de varios tipos:
• Tuberías en serie.
• Tuberías en paralelo.
• Tuberías ramificadas.
• Redes de tuberías.
El estudio del flujo en estos sistemas se realiza utilizando las teorías estudiadas en los capítulos anteriores, principalmente las estudiadas en el tema 6, agregándole algunas leyes de funcionamiento que representan la conexiónde las tuberías.

Se habla de tuberías en serie cuando se quiere llevar el fluido de un punto a otro punto por un solo camino. Como en el ejemplo de la figura.
En este caso se cumplen las leyes siguientes:
Los caudales son los mismos para cada uno de los tramos de tubería:
Q = Q1 = Q2 = K = Qi

Las pérdidas de carga de cada una de las secciones se suman:
hL = hL1 + hL2 +K+ hLi
El método decálculo es en este caso el estudiado en el tema 6 y se pueden resolver diversos tipos de problemas, los más
comunes son el cálculo del caudal en un sistema de tuberías dado, el cálculo del tamaño requerido de tubería para manejar un caudal dado y el cálculo de la potencia necesaria de una bomba o altura piezométrica requerida para manejar un caudal dado en una tubería dada. Estos tres tipos deproblemas se representan en la tabla siguiente:
Categoría Datos Incógnita
1 Q, D, e, v hL
2 D, hL, e, v Q
3 Q, hL, e, v D
Los problemas de categoría 1 son directos y se aplican en el cálculo de la potencia de una bomba, los problemas de categoría 2 y 3 en cambio requieren de un proceso iterativo cuando se utiliza el diagrama de Moody, tema 6.
Existen además de los métodos estudiados en el tema 6,métodos aproximativos en los cuales se utilizan unas ecuaciones empíricas para la solución de problemas de estas tres clases.
Uno de estos métodos es el uso de las fórmulas de Swamee-Jain (1976), que permiten el cálculo para un tramo de tubería:
8/8
2 0.9
5000 Re 10
10 / 0.01
Re =1 1.325 ln 0.27 5.74

También es común expresar la pérdida de carga para cada tramo de tubería como: x hL = RQ
Donde Rse denomina coeficiente de resistencia y el exponente x vale 2 para flujos totalmente turbulentos y un valor entre 1 y 2 para flujos en la zona de transición.

Si se utiliza este tipo de formulación para la pérdida de carga, la pérdida de carga total, tomando todos los tramos, será: x hL = ∑Ri Q
En este caso si se utiliza la ecuación de Darcy-Weisbach para el cálculo de la pérdida de carga y eldiagrama de Moody para el cálculo del factor de fricción, x = 2 y el valor de R será:
2 /5/ 8
g D fL R π =

Si se utilizan las ecuaciones de Swamee-Jain el valor de R será:
8/8
2 0.9
5 5000 Re 10
10 / 0.01 Re 1 1.07 ln 0.27 5.74⎨ +R

Existen también otras ecuaciones empíricas que permiten el cálculo del coeficiente de resistencia. Una de ellas es la expresión de R para la ecuación deHazen-Williams:
1,85 4,87
1
C D
K L R =
Donde C es el coeficiente de Hazen-Williams que depende solo de la aspereza (ver tabla) y K1 es una constante que depende del sistema de unidades utilizado: para SI K1 = 10,59 y para unidades inglesas K1 = 4,72.
Otra de estas expresiones empíricas es la expresión par R para la ecuación de Chezy-Manning, que se usa mayormente para flujo en canales abiertos, pero...