5. TRANSPORTE DE FLUIDOS
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- María Nieves Río Rodríguez
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1 48 5. TRANSPORTE DE FLUIDOS 5.1 Euaión de Bernouilli Un fluido que fluye a través de ualquier tipo de onduto, omo una tuería, ontiene energía que onsiste en los siguientes omponentes: interna, potenial, de presión y inétia. Energía interna: la energía interna es la oservaión marosópia de las energías moleulares, atómias y suatómias de las espeies que entran y salen de un sistema. Energía potenial: es la energía que posee una masa de fluido en relaión on un plano de referenia aritrario. Energía de presión: esta energía es una medida del traajo requerido para introduir el fluido en el sistema. Energía inétia: esta es la energía asoiada on el movimiento. El alane de energía de un fluido que fluye en un duto desde un punto 1 a un punto 2 está dado por la euaión de BERNOUILLI. 2 Pa gza Va P gz V p g p g Correión de la euaión de BernouilIi por efeto de la friión: La friión se manifiesta por la desapariión de energía meánia. La friión de un fluido, se puede definir omo la onversión de energía meánia en alor que tiene lugar en el flujo de una orriente. Para fluidos no ompresiles, la euaión de Bernouilli se orrige para tener en uenta la friión. Se introduen los fatores de orreión a a y a para la energía inétia h f para la friión. La euaión anterior se transforma en. 2 Pa p + gza g aav + 2 a P p + gz g + a V 2 + h f h f representa toda la friión que se produe por unidad de masa de fluido, que tiene lugar para todos los puntos entre las posiiones a y. Los demás términos de la euaión
2 49 representan las ondiiones para posiiones espeífias, es deir los puntos de entrada y salida. Cada uno de los términos de la euaión tiene dimensiones de longitud. 5.2 Traajo de oma en la euaión de Bernoulli: Se utiliza una oma en un sistema para aumentar la energía meánia de un fluido en movimiento, utilizando diho aumento para mantener el flujo. Si se instala una oma entre las estaiones a y se tiene: Pa p + gza g aav + 2 a + nwp P p + gz g + a V 2 + h f Donde W p, es el traajo realizado por la oma por unidad de masa del fluido n, es la efiaia de la oma y es la relaión entre la potenia omuniada al fluido y la entrada total de potenia. Instalaión de oma para el transporte de fluido entre el punto a y Wp H n Pf n P efiienia de la oma H Ha H P f m H potenia omuniada al fluido
3 50 Ha arga total de suión P m H n potenia de la oma H arga total de desarga m flujo másio 5.3 Pérdidas por friión en la euaión de Bernouilli Las pérdidas por friión se inorporan en el término hr de la euaión de Bernouilli y orresponden a: a) Pérdidas por friión deido al ensanhamiento ruso de la seión h fe K e es un fator de proporionalidad llamado oefiiente de pérdida por expansión y V& 2 la veloidad media en la parte estreha de la onduión K e V 2 a Sa S K e (1- S a / S ) 2 ) Pérdidas por friión deidas a una ontraión rusa de la seión h f K e V 2 K oefiiente de pérdida por ontraión K O,4 (1 - S / S a )
4 51 S a Y S son las áreas de las seiones transversales de los ondutos aguas arrias y aajo respetivamente. ) Pérdidas por friión deido a válvulas y aesorios Las válvulas y aesorios distorsionan las líneas de flujo y dan lugar a friión h ff K f V 2 a K f fator de pérdida para el aesorio Va veloidad media de la tuería que ondue al aesorio K se otiene por experimentaión y es diferente para ada tipo de onexión ) Pérdidas de friión en tramos de tuo reto h fs P p f P f orresponde a la pérdida de arga deido a la friión en la tuería reta ρ es la densidad del fluido. P f 4 fv 2 ρ L D f, orresponde al fator de Fanning, que representa el valor de friión V, la veloidad promedio del fluido, es la longitud del tuo D, es el diámetro de la tuería ρ, es la densidad del fluido g, es el fator de onversión sistema anglosajón El fator de friión f es adimensional y se asa en datos experimentales, se ha enontrado
5 52 que es una funión del número de Reynolds (Re) y de la rugosidad k, siendo k / D la rugosidad relativa. Si el flujo es laminar, la rugosidad no tiene un efeto apreiale en el fator de friión y en ese aso se tiene: f 16 Re La friión total será: h h + h + h + h f fe COEFICIENTES DE PERDIDA PARA UNIONES ESTANDAR f Unión Kr Válvula de gloo, totalmente aierta 10,0 Válvula de ompuerta, totalmente aierta 0,2 Válvula de ompuerta, semiaierta 5,6 Te I,8 Codo 90º 0,9 Codo 45º 0,4 ff fs Visosidad La visosidad de un fluido es la propiedad del material en virtud del ual se opone a las fuerzas ortantes. Los fluidos que tienen aja visosidad, omo el agua, presentan menos resistenia a una fuerza ortante que los fluidos que tienen visosidad alta omo los aeites. La visosidad es de partiular importania en el transporte de fluidos, ya que ésta afeta la resistenia al flujo que ofree el fluido. Número de Reynolds El flujo de un fluido por un tuo se puede dividir en dos lases generales: flujo laminar y flujo turulento, dependiendo del tipo de trayetoria que siguen las partíulas individuales del fluido. Cuando el flujo de la partíulas de fluido es paralelo al eje del tuo, el flujo se llama laminar. Cuando el urso que siguen las partíulas individuales del se desvía onsideralemente de la línea reta y en el seno del fluido se forman remolinos el flujo se llama turulento.
6 53 Experimentalmente se ha demostrado que las araterístias del flujo dependen de: a) el diámetro interno de la tuería Di, ) de la veloidad del fluido, V ) de la densidad del mismo, ρ y d) de la visosidad del fluido,?. Re D i Vρ η Re es adimensional y sirve para indiar si el flujo es laminar o turulento Si Re <2100 el flujo es laminar Si Re <2100 el flujo puede pasar a ser turulento 5.4 Mediión de flujos Para el ontrol de proesos industriales es esenial onoer la antidad de materia que entra y sale del proeso. Puesto que los materiales se transportan, siempre que sea posile en forma fluida, es importante medir la veloidad on que un fluido irula a través de una tuería. Los medidores más ampliamente utilizados para la medida del flujo son los diferentes medidores de arga variale y de área variale. Los medidores de arga variale omprenden los medidores de venturi, los medidores de orifiio y los tuos de pitot. Los medidores de área variale omprenden los diferentes tipos de rotámetros. Tuo Venturi Es un tramo de tuo en el ual se ha disminuido el diámetro en una orta distania para aumentar la veloidad del fluido, lo que aumentará su presión. La magnitud de la aída de presión se relaiona on la rapidez de flujo. Los tuos de Venturi son difíiles de fariar y se limitan donde la visosidad es alta o uando hay sólidos suspendidos En forma empíria se puede determinar que la veloidad del fluido es:
7 54 V g ( pa ρ p ) V veloidad a través del estrehamiento Medidor de plaa de orifiio Este tipo de medidor de flujo es esenialmente una plaa lisa en la ual se ha perforado un orifiio de medidas muy exatas. La restriión al flujo en el tuo ausa una aída de presión que se relaiona on la veloidad de flujo en el tuo. Es posile insertar diferentes tamaños de orifiio de manera de urir un intervalo de flujo más amplio. La veloidad a través del orifiio para valores altos del número de Reynolds es: u g ( pa ρ p ) Tuo de pitot El tuo de pitot es un aparato que sirve para medir la veloidad loal a lo largo de una línea de omente. Consta de un tuo que tiene que tiene una su aertura perpendiular a la direión del flujo y un segundo tuo donde la aertura es paralela al flujo. La veloidad se alula a partir de la diferenia entre la presión en la aertura paralela al flujo al flujo la presión estátia y la presión de impato, llamada presión de impato. Rotámetro u 0 ( pa ρ En los medidores anteriormente menionados, el área de restriión era onstante y la aída de presión variaa on la veloidad de flujo, en el rotámetro, la aída de presión permanee asi onstante y el área de restriión varía. El fluido, gas o líquido, fluye vertialmente haia arria a través del tuo ónio del rotámetro y el flotador llega al equilirio en un punto en que el área de flujo anular es tal que el aumento de veloidad a produido la diferenia de presión neesaria. Es apropiado para medir flujos entre 3ml/min. a 2001/min. para gases y entre 0,07 ml/mm., y 50 1/min., para líquidos. p )
8 BOMBAS La mayoría de las omas pueden lasifiarse omo rotatorias, alternantes y entrífugas Bomas rotatorias Las omas rotatorias inluyen aquellas omas que ominan el movimiento de rotaión de las partes on un desplazamiento positivo. Las partes giratorias se mueven en una aja de la oma reando un espaio que primero se agranda suionando el fluido, después se sella, reduiéndose en volumen haiendo que el fluido pase a través de la ompuerta de desarga a una presión más alta. El tipo más omún de este tipo de omas es la oma de engranajes, la ual es exelente para líquidos visosos, no es reomendada para líquidos que tengan en suspensión material arasivo. Estas omas no poseen válvulas de retenión. Bomas alternantes Estas omas desarrollan una presión más alta por la aión direta o indireta de un pistón sore el fluido que se enuentra onfinado en un ilindro forzando el fluido a través de las válvulas de desarga. Estas omas son mayoritariamente aionadas en forma neumátia y en el aso de las omas de aión direta el ilindro está en ontato direto on el fluido imprimiéndole a éste una presión elevada. Una oma de un solo pistón dará un flujo pulsante, pero on una oma de dos pistones el flujo puede ser suavizado. Estas omas no son reomendadas para líquidos demasiado visosos o que ontengan material arasivo en suspensión Dentro de las omas alternantes tenemos las omas de diafragma, en las uales el ontato on el fluido es indireto a través de un diafragma flexile de auho. El movimiento es transmitido por aire o por transmisión hidráulia. Estas omas al areer de partes móviles, exepto el diafragma, son aduadas para el transporte de líquidos orrosivos y on material sólido en suspensión. Bomas entrífugas Son las más omunes deido a su ajo osto, flujo uniforme, ajo osto de mantenión y apaidad de manejar sólidos en suspensión. Básiamente, la oma entrífuga onsiste en un impulsor que gira dentro de una aja, el líquido entra por el entro del impulsor y las aspas del impulsor empujan el líquido haia fuera imprimiéndole una fuerza entrifuga
9 56 ACCION DE UNA BOMBA CENTRIGUGA DIFERENTES IMPULSORES DE BOMBA CENTRÍFUGA PARTES DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
10 57 BOMBA CENTRÍFUGA DE DIAFRAGMA BOMBA PERISTALTICA BOMBAS DE ENGRANAJES
11 58 VÁLVULA DE COMPUERTA VÁLVULA DE GLOBO VÁLVULA DE GLOBO VÁLVULA Y
12 59 VÁLVULA DE BOLA VÁLVULA DE BOLA VÁLVULA DE RETENCION
13 60
14 61
15 ROTAMETRO 62
16 63 TUBO DE VENTURI TUBO PITOT TUBO DE ORIFICIO
CAPÍTULO V: CLASIFICACIÓN DE SECCIONES 5.1. INTRODUCCIÓN
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