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1 FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS Título: FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS Autor: Arana Vargas Lorgio Cayo Veizaga Jhoel Gutiérrez Alcocer juan Carlos Mérida Jailita Joel Meneces Catarí Carlos Fecha:29/10/2016 Código de estudiante: Grupo: B Docente: Ing. Edwin Windsor Jara Arias Periodo Académico: 1/2017 Subsede: Cochabamba Copyright (2017) por ( ). Todos los derechos reservados.

2 RESUMEN: En la materia de mecánica de fluidos llegamos ver el estudio de los fluidos como ser flujo de fluido en tuberías en los que hay dos tipos de comportamiento como ser laminar y turbulento y para saber si un fluido es laminar o turbulento debemos de conocer la fórmula de numero de Reynolds que nos indica su comportamiento. Y también la velocidad critica de los fluidos en tuberías la velocidad critica es la velocidad por debajo de toda tubería, y también daremos ejemplos con ejercicios relacionados a la carrera de ingeniería en gas y petróleo. Palabras clave: fluidos, laminar, turbulento,velocidad, critica ABSTRACT: In the matter of fluid mechanics we get to see the study of fluids as fluid flow in pipes where there are two types of behavior such as laminar and turbulent and to know if a fluid is laminar or turbulent we must know the formula Reynolds number that tells us its behavior. And also the critical velocity of the fluids in pipes the critical velocity is the speed below all pipes, And we will also give examples with exercises related to the race of engineering in gas and oil Keywords: Fluids, laminar, turbulent, speed, criticism 2

3 TABLA DE CONTENIDOS CAPITULO I... 4 INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES: Antecedentes generales: Antecedentes específicos: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: OBJETIVOS Objetivo general Objetivo específico ALCANCES Alcance metodológico: Alcance temático: Alcance temporal: Alcance espacial: HIPOTESIS... 6 CAPITULO II MARCO TEORICO FLUJO DE FLUIDOS: FLUJO LAMINAR: FLUJO TURBULENTO: TENSION CORTANTE EN LA PARED DE UNA TUBERIA DISTRIBUCION DE VELOCIDADES APLICACIÓN DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS EN LA CARRERA DE INGENIERIA EN GAS Y PETROLEO MARCO PRÁCTICO

4 CAPITULO I INTRODUCCIÓN En este trabajo de investigación explicaremos sobre el flujo de fluidos en tuberías donde flujo es un movimiento de un fluido que está en función de ciertas variables físicas como la presión, densidad y velocidad en todos los puntos del fluido. Existen dos tipos de fluidos permanente en el caso de flujos reales, estos son flujo laminar y flujo turbulento ambos tipos de flujos viene gobernados por leyes distintas. El flujo de un fluido real es más complejo que el de un fluido ideal debido a l viscosidad de los fluidos reales en su movimiento aparecen fuerzas cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno. En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven en trayectoria paralela formando capas o laminas. En cambio el flujo turbulento las partículas se mueven de forma desordenada es imposible de conocer la trayectoria. 1. ANTECEDENTES: 1.1 Antecedentes generales: RANALD V. GILES año 2010 este libro Schaum de mecánica de fluidos e hidráulica indica su(capítulo 7) los conceptos fundamentales de flujo de fluidos en tuberías donde hay una serie de ejercicios resueltos y para resolver. 1.2 Antecedentes específicos: Ranald V Giles año 2010 su libro de mecánica de fluidos e hidráulica. Este libro nos muestra claramente de que es un flujo de fluidos en tuberías mencionando sus respectivas formulas y graficas de los distintos tipos de fluidos y para entenderlo mejor tiene una serie de ejercicios resueltos y también ejercicios planteados para resolver. 4

5 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Cuál es la importancia de reconocer los dos tipos de flujos como ser flujo laminar y turbulento y el número de Reynolds en las tuberías? 3.1 Objetivo general 3. OBJETIVOS Investigar los conceptos fundamentales de flujo de fluidos en tuberías. 3.2 Objetivo específico Obtener información con respecto a conceptos de flujo de fluido en tuberías Describir las formulas correspondientes de flujo laminar, flujo turbulento, numero de Reynolds, tención cortante y distribución de velocidades. Aplicar los conceptos de flujo de fluidos en tuberías a la carrera de ingeniería Gas y petróleo Explicar en el aula de la materia de mecánica de fluidos el tema investigado de flujo de fluidos en tuberías. 4. ALCANCES 4.1 Alcance metodológico: Para la siguiente investigación utilizamos el método descriptivo de distintas fuentes de investigación y textos. 4.2 Alcance temático: Observación indirecta, la información para realizar el trabajo de investigación mediante investigación de internet y de un libro de SCHAUM. se obtuvo 5

6 4.3 Alcance temporal: El trabajo de investigación lo realizamos desde la cuarta semana de abril donde tenemos por concluir el 29 de abril. 4.4 Alcance espacial: La aplicación de flujo de fluidos en tuberías se aplica en el transporte del crudo por oleoductos para ser almacenado o derivado en refinerías como ser Guillermo Elder bell y otros. 5. HIPOTESIS El flujo de fluidos en una tubería puede ser laminar o turbulento el laminar es donde sus partículas se mueven en forma paralela y en el turbulento sus partículas se mueven en forma desordenada. Las tuberías son conductos que transportan distinto tipo de fluido y depende del tipo de fluido para que ocurra un desgaste en el tubo. 6

7 CAPITULO II 6. MARCO TEORICO 6.1 FLUJO DE FLUIDOS: El flujo es el fluido en movimiento y está sujeta en función de variables físicas como presión, densidad, y velocidad en todos los puntos del fluido El flujo de fluidos puede ser permanentes o no permanentes, uniforme o no uniforme, laminar o turbulento. 6.2 FLUJO LAMINAR: (Re<2000) En este tipo de fluido las partículas se mueven en trayectorias paralelas formando capas o laminas. Los módulos de la velocidad de capas adyacentes no tiene el valor. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona la tensión cortante con la velocidad deformación angular, es decir la tensión cortante e igual l producto de la viscosidad de fluido gradiente de las velocidades, τ = μ dν/dy 6.3 VELOCIDAD CRÍTICA: La velocidad critica es la velocidad por debajo de toda tubería es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido. O llamado también profundidad critica la caudal transita por un canal con el mínimo de energía. 6.4 NUMERO DE REYNOLDS: El número de Reynolds (Re), que es un grupo adimensional. Viene dado por el cociente de las fuerzas de inercia por las fuerzas debidas a la viscosidad. Para tuberías circulares, en flujo a tubería llena. 7

8 El número de Reynolds se utiliza para caracterizar el movimiento de un fluido como laminar o turbulento. *En el caso de conductos de sección recta no circular se utiliza como longitud característica en el número de Reynolds el radio hidráulico R. igual al cociente del área de la sección reta por perímetro mojado, expresando el cociente en m. 6.5 FLUJO TURBULENTO: Re>2000 En el flujo turbulento las partículas fluidas se mueven de forma desordenada en todas las direcciones. Es imposible conocer la trayectoria de una partícula individualmente la tensión cortante en el flujo turbulento se expresa: 8

9 6.6 TENSION CORTANTE EN LA PARED DE UNA TUBERIA (τ) La tensión cortante es aquella que fijado un plano, actúa tangente al mismo. La tensión cortante en la pared de una tubería. (2) Donde: f= es el coeficiente de fricción, adimensional. La tensión varia linealmente a lo largo de la sección recta. El termino τo=ρ se llama velocidad de corte o de friccion y se presenta por el sibolo vo a partir de la expresión (2) se obtiene (3) (4) 6.7 DISTRIBUCION DE VELOCIDADES La distribución de velocidades en una sección recta seguirá una ley de variación parabólica en el flujo laminar, la velocidad máxima tiene lugar en el eje de la tubería y es igual al doble de la velocidad media. La ecuación que da el perfil de velocidades en el flujo aminar se expresa como sigue. (5) 9

10 En los flujos turbulentos resulta una distribución de velocidades más uniforme. A partir de los datos experimentales de nikuradse y otros investigadores. Ecuaciones de los perfiles de velocidad en funcion de la velocidad en el eje de la tuberia vc o en funcion de la velocidad de corte vo. (a) una formula experimental es : (6a) Donde: N=1/7 para tuberias lisas, hasta Re= 100,000 N= 1/8 para tuberias lisas y Re de 100,000 a 400,000 (b) Para tuberias lisas (6b) Para el termino yvo/v ver (c)para tuberias lisas (y 5000< Re<3,000,000) y para tuberias rugosas en la zona de exclusiva influencia de de la rugosidad. en funcion de la velocidad media V, VENNARD ha sugerido que V/vc puede escribirse en la forma (6c) (7) 10

11 (d)para tuberias rugosas (e)para contornos rugosos o solidos (8a) Donde es la rugosidad absoluta e la pared de la tuberia (8b) (8c) 11

12 7. APLICACIÓN DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS EN LA CARRERA DE INGENIERIA EN GAS Y PETROLEO La aplicación para la industria petrolera el flujo de fluidos es importante ya que para obtener el petróleo de un yacimiento se requiere la aplicación de conceptos básicos relacionados con el flujo de fluidos en cuanto a las tuberías, trasporte por oleoductos. Los conceptos del tema expuesto se utilizan tuberías y es ahí donde necesitamos aplicar el flujo de fluidos en tuberías para caracterizar el comportamiento del fluido en diferentes condiciones y así podemos tener un buen diseño de ductos. La razón de flujo que es la cantidad de algo (mantener, calor, etc.) que pasa por un determinado área, tiempo. Transporte de crudo por oleo ductos Flujo de fluidos en tuberias de oleoductos (crudo) Tanques de almacenamiento 12

13 8. MARCO PRÁCTICO 1) Determinar la velocidad critica para a) gasolina a 20º C que fluye a través de una tubería de 20 mm de diámetro, y b) agua a 20º C que circula por una tubería de 20 mm. Solución a) para que el flujo sea laminar, el máximo número de Reynolds es de Por tabla la viscosidad cinemática a 20º C es 6.48 x 10-7 m 2 /s. ( ) ( ) b) de la tabla v=1.2 x 10-6 m 2 /s, para el agua a 20º C. ( ) ( ) V c =0.102 m/s 2) Las dimensiones de la tubería son de 5 cm de diámetro y 40 m de largo. Las presiones de entrada y salida de la tubería se miden en 745 y 97 kpa respectivamente. También se trabajara con petróleo a 28º C, densidad (ρ) de 888kg/m 3 y la viscosidad dinámica del fluido (µ) es de kg/m s Los ángulos de inclinación para el estudio de flujo de petróleo son los siguientes: Primero se lo estudia en una tubería horizontal Segundo en una tubería inclinada 15º hacia arriba 13

14 Título: FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS Tercero en una tubería inclinada 15ª hacia abajo Están dadas las lecturas de presión a la entrada y la salida de una tubería. Se debe determinar las razones de flujo para tres diferentes orientaciones y demostrar que el flujo es laminar Propiedades la densidad y la viscosidad dinámica del petróleo están dados como ρ = 888 kg/m 3 y µ = kg/m s, respectivamente. Análisis la caída de presión en la tubería y el área de sección de la tubería son: ( ) Primero La razón de flujo para los tres casos se puede determinar a partir de la ecuación ( ) Donde θ es el ángulo que forma la tubería con la horizontal. Para el caso horizontal, θ = 0 y por lo tanto sen θ = 0. En consecuencia. ( ) ( ) (, ( ) ( * ( ) Segundo Para flujo colina arriba con una inclinación de 15º, se tiene θ = +15º y ( ) 14

15 Título: FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS [ ( + ( ) ( ) ] ( ) ( + ( ) Tercereo Para flujo colina abajo con una inclinación de 15º, se tiene θ = - 15º y ( ) [ ( + ( ) ( ) ( )] ( ) ( + ( ) ( ) Comparación de los resultados con los valores de Reynolds para determinar si es laminar o turbulento La razón de flujo es mucho más alta para el caso de flujo colina abajo, como se esperaba. La velocidad de fluido promedio y el número de Reynolds en este caso son: 15

16 ( + ( ) Que es mucho menor que Por lo tanto, el flujo es laminar para los tres casos y el análisis es válido. Ejercicio de practica 3) Determinar el tipo de fluido que tiene lugar en una tubería de 30 cm cuando a) fluye agua a 15º C a una velocidad de 1 m/s, b) fluye un fuel oíl pesado a 15º C y a la misma velocidad v agua =1.13*10-6 v fueloil pesado = 2.06*10-4 Ejercicio de examen 4) Determinar a) la tensión cortante en la pared de una tubería de 30 cm de diámetro si el líquido que fluye es agua y la perdida de carga medida en 1000 m de tubería es de 5.0 m: b) la tensión cortante a 5 cm del eje de la tubería: c)la velocidad de corte 16

17 Conclusión Obtuvimos la información necesaria en distintas páginas web y textos que descargamos de distintos autores pero nos basamos más en el texto de schaum de mecánica de fluidos e hidráulica. Describimos distintas fórmulas como ser ecuaciones para resolver los problemas mencionados en el trabajo de investigación. Aplicamos los conceptos de flujo de fluidos en tuberías para el transporte del crudo mediante oleoductos para ser almacenados o refinados. 17

18 REFERENCIAS 1. en Tuberías Luis Emilio Pardo Aluma La pérdida de energía fluidos 18

19 ANEXOS 19

20 Transporte de fluido (crudo) 20