NOTA      La ingeniería es una ciencia en constante desarrollo.      A medida que la investigación y la experiencia am-   ...
Flujo de fluidos                            en              válvulas, accesorios y tuberías                    Preparado p...
CONTENIDO Prólogo........................ . . . . . IX                              Tipos de válvulas y accesorios Nomencl...
Velocidad de fluidos compresibles en                                       Viscosidad del agua y de líquidos    tuberías.....
APÉNDICE B                     Información técnica                                                                        ...
PRÓLOGOA medida que la industria se vuelve más compleja,           queño en la mayor parte de los problemas en los que más...
Nomenclatura                                                 A no ser que se indique lo contrario,                        ...
XII                                             NOMENCLATURA                                                  CRANELetras ...
Teoría del flujo de fluidos en   tuberías                                                                     r      CAPÍT...
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CRANE                         CAPiTULO 1-TEORIA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERiAS                               1-13       ...
Flujo de fluidos en válvulas y   accesorios                                                              CAP/TULO 2Introdu...
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  1. 1. NOTA La ingeniería es una ciencia en constante desarrollo. A medida que la investigación y la experiencia am- plían nuestros conocimientos, se requieren cambios en el uso de los materiales o en la aplicación del conteni- do de esta obra. Así pues, aunque los editores de este trabajo se han esforzado por asegurar su calidad, n o pueden responsabilizarse de la exactitud de la infor- mación que contiene, ni asumir ninguna responsabili- dad por. los daños o pérdidas que resulten de su apli- cación. Esta recomendación es de particular importancia en virtud de la existencia de nuevos materiales o aplica- ciones diferentes.** Esta edición ofrece al lector datos tanto en el sistema internacio- nal de unidades como en el sistema inglés (los cuales se destacan mediante otro color).
  2. 2. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías Preparado por la división de Ingeniería de: CRANETraducción:VALFISA, S.A.Revisión técnica:Clemente Reza GarcíaIngeniero Químico IndustrialProfesor Titular de Química CUCEIEscuela Superior de Ingeniería CIDQuímica e Industrias Extractivas IPN McGRAW-HILL MÉXICO* BUENOS AIRES. CARACAS l GUATEMALA l LIS-BOA. MADRID. NUEVA YORK SAN JUAN. SANTAFÉ DE BOGOTÁ. SANTIAGO. SAO PAULO. AUCKLAND LONDRES l MILÁN l MONTREAL l NUEVA DELHI. SAN FRANCISCO* SINGAPUR ST. LOUIS l SIDNEY. TORONTO
  3. 3. CONTENIDO Prólogo........................ . . . . . IX Tipos de válvulas y accesorios Nomenclatura.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI usados en sistemas de tuberías. . . . . . . . 2-2 Pérdida de presión debida a válvulas CAPíTULO 1 y accesorios........................ 2 - 2 Pruebas Crane sobre flujo de fluidos. . . . 2-3 Teoría del flujo de fluidos Pruebas hechas por Crane con agua. . . 2-4 en tuberías Pruebas hechas por Crane con vapor de agua............................ 2-6 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l - l Relación entre la pérdida de presión Propiedades físicas de los fluidos. . . . . . . 1-2 y la velocidad de flujo . . . . . . . . . . . . . 2-9 Viscosidad......................... l-2 Densidad........................... l-3 Coeficiente de resistencia K, longitud Volumen específico. . . . . . . . . . . . . . . . . . l-3 equivalente L/D y coeficiente de flujo. 2-10 Peso específico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l-3 Condiciones de flujo laminar. . . . . . . . . . . 2-13 Regímenes de flujo de fluidos en tuberías: laminar y turbulento . . . . . l-4 Estrechamientos y ensanchamientos. . . . . 2-14 Velocidad media de flujo. . . . . . . . . . . . l-5 Número de Reynolds. . . . . . . . . . . . . . . . l-5 Válvulas de paso reducido. . . . . . . . . . . . 2-15 Radio hidráulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l-5 Resistencia de las curvas. . . . . . . . . . . . . . . 2-15 Ecuación general de energía Flujo secundario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-15 Teorema de Bernoulli. . . . . . . . . . . . . . . . 1-6 Resistencia de las curvas al flujo. . . . . . 2-15 Resistencia de curvas para tubos en Medida de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . l-7 escuadra o falsa escuadra. . . . . . . . . . . . 2-17 Fórmula de Darcy Flujo en toberas y orificios. . . . . . . . . . . . . 2-17 Ecuación general del flujo de fluidos. l-7 Flujo de líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18 Factor de fricción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . l-8 Flujo de gases y vapores. . . . . . . . . . . . . 2-18 Efecto del tiempo y uso en la Flujo máximo de fluidos compresibles fricción de tuberías. . . . . . . . . . . . . . 1-9 en una tobera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18 Flujo en tubos cortos. . . . . . . . . . . . . . . . 2-19 Principios del flujo de fluidos compresibles en tuberias. . . . . . . . l-9 Descarga de fluidos en válvulas, Ecuación para flujo totalmente accesorios y tuberías. . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19 isotérmlco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l-9 Flujo de líquidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19 Flujo compresible simplificado, Flujo compresible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-20 Fórmula para tubería de gas. . . . . . 1-10 Otras fórmulas usadas comúnmente CAPíTULO 3 para el flujo de fluidos compresibles en tuberías largas. . . l-10 Comparación de fórmulas para flujo Fórmulas y nomogramas para flujo en de fluidos compresibles en tuberías 1-10 válvulas, accesorios y tuberías Flujo límite de gases y vapores . . . . . . l-ll Resumen de fórmulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2Vapor de agua-comentarios generales 1-13 Velocidad de líquidos en tuberías. . . . . . . 3-9 Número de Reynolds para flujo líquido: Factor de fricción para tuberías limpiasCAPíTULO 2 de acero........................... 3-13 Caída de presión en líneas de líquidos en Flujo de fluidos en válvulas flujo turbulento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-15 y accesorios Caída de presión en líneas de líquidos para flujo laminar. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-21Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-l Flujo de líquidos en toberas y orificios. . 3-25
  4. 4. Velocidad de fluidos compresibles en Viscosidad del agua y de líquidos tuberías............................ 3-31 derivados del petróleo. . . . . . . . . . . . . . . A-4 Viscosidad de líquidos diversos. . . . . . . . . A-6 Número de Reynolds para flujo Viscosidad de gases y vapores de compresible Factor de fricción para hidrocarburos...................... A-8 tubería limpia de acero. . . . . . . . . . . . . . 3-35 Propiedades físicas del agua. . . . . . . . . . . . A-10 Pérdida de presión en líneas de flujo Relación peso específico’ temperatura compresible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-39 para aceites derivados del petróleo. . . . A-12 Fórmula simplificada para flujo de Densidad y peso específico de fluidos compresibles. . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43 líquidos diversos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 Flujo de fluidos compresibles en toberas Propiedades físicas de algunos gases. . . . . A-14 y orificios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-52 Vapor de agua valores del exponente isentrópico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-16 Densidad y volumen específico de gases y vapores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-18 CAPÍTULO 4 Composición volumétrica y peso específico de combustibles gaseosos. . . A-22 Ejemplos de problemas de flujo Propiedades del vapor de agua saturado y agua saturada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-23 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-l Propiedades del vapor de agua sobrecalentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-29 Número de Reynolds y factor de fricción Propiedades del vapor de agua para tuberías que no sean de acero. . . . sobrecalentado y agua comprimida. . . . A-35 4-2 Tipos de válvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-36 Determinación de la resistencia de Coeficiente de flujo C para toberas. . . . . A-38 válvulas en función de L, L/D, K y Coeficiente de flujo C para orificios coeficiente de flujo C,, . . . . . . . . . . . . . . 4-2 de cantos vivos..................... A-38 Factor neto de expansión Y Válvulas de retención para flujo compresible en toberas y Determinación del diámetro. . . . . . . . . . 4-4 orificios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-39 Relación crítica de presiones r, Válvulas con estrechamiento en los para flujo compresible en toberas y extremos; velocidad y caudal. . . . . . . . . 4-5 tubos Venturi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-39 Factor neto de expansión Y para flujo Flujo laminar en válvulas, accesorios compresible de una tubería hacia y tuberías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6 zonas de mayor sección. . . . . . . . . . . . . . A-40 Rugosidad relativa de los materiales Pérdida de presión y velocidad en de las tuberías y factor de fricción sistemas de tuberías. . . . . . . . . . . . . . . . . 4-9 para flujo en régimen de turbulencia total............................... A-41Problemas de flujo en líneas de Factores de fricción para cualquier tuberías............................ 4-16 tipo de tubería comercial. . . . . . . . . . . . . A-43Descarga de fluidos en sistemas de Factores de fricción para tuberías tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-18 comerciales de acero limpias. . . . . . . . . . A-44Flujo en medidores de orificio. . . . . . . . . . 4-23 Tabla del factor KAplicación de radio hidráulico a los Coeficientes de resistencia (K) válidos problemas de flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-26 para válvulas y accesorios. . . . . . . . . . . . . . A-46 Longitudes equivalentes L y L/D, Nomograma del coeficiente de resistencia K. . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . A-50 APÉNDICE A Equivalencia del coeficiente de resistencia K y el coeficiente de flujo CV. . . . . . . . A-53 Propiedades físicas de algunos fluidos y características del flujo en válvulas, accesorios y tuberíasIntroducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-lViscosidad del agua y del vapor de agua en centipoises @). . . . . . . . . . . . . . . A-2
  5. 5. APÉNDICE B Información técnica Sistema Internacional de Unidades (SI). . B-llIntroducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-lVolumen equivalente y caudal de masa Tablas de conversión de unidades. . . . . . . B-13 de fluidos compresibles. . . . . . . . . . . . . . B-2 Flujo en tuberías de acero de cédula 40Equivalencias de viscosidad Agua.............................. B-16 Absoluta (dinámica). . . . . . . . . . . . . . . . . B-4 Aire............................... B-18 Cinemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4 Cinemática y Saybolt Universal. . . . . . . B-5 Tuberías comerciales de acero. . . . . . . . . . B-21 Cinemática y Saybolt Furol. . . . . . . . . . B-5 Datos técnicos de las tuberías. . . . . . . . . . . B-23 Cinemática, Saybolt Universal, Tuberías de acero inoxidable. . . . . . . . . . . B-27 Saybolt Furo1 y Absoluta. . . . . . . . . . B-6 Tuberías comerciales de acero. . . . . . . . . . B-28Nomograma de viscosidad Saybolt Universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-8 Datos técnicos del vapor de agua. . . . . . . B-30Equivalencias entre grados API, Potencia requerida para bombeo. . . . . . . . B-31 grados Baumé, peso específico y densidad........................... B-9 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-34
  6. 6. PRÓLOGOA medida que la industria se vuelve más compleja, queño en la mayor parte de los problemas en los que más importante es el papel de los fluidos en las má- las condiciones del flujo llevan al número de Rey-quinas industriales. Hace cien años el agua era el nolds las cuales quedan dentro de la zona turbulenta.único fluido importante que se transportaba por Sin embargo, para flujos en la zona laminar, el cam-tuberías. Sin embargo, hoy cualquier fluido se bio evitó una importante sobreestimación de la pér-transporta por tuberías durante su producción, pro- dida de presión. De acuerdo con la revisión concep-ceso, transporte o utilización. La era de la energía tual, la resistencia al flujo a través de válvulas y ac-atómica y de los cohetes espaciales ha dado nuevos cesorios se expresó en términos del coeficiente defluidos como son los metales líquidos, sodio, resistencia “K” en lugar de la longitud equivalentepotasio, bismuto y también gases licuados como oxí- “L/D”, y la gama abarcada de tipos de válvulas y ac-geno, nitrógeno, etc.; entre los fluidos más comunes cesorios se incrementó.se tiene al petróleo, agua, gases, ácidos y destiladosque hoy día se transportan por tuberías. La transpor- Otras revisiones importantes incluyen la ac-tación de fluidos no es la única parte de la hidráulica tualización de los valores de la viscosidad del vaporque ahora demanda nuestra atención. Los mecanis- de agua, coeficientes para orificios y coeficientesmos hidráulicos y neumáticos se usan bastante para para tuberías.los controles de los modernos aviones, barcos, equi-pos automotores, máquinas herramientas, maquina-ria de obras públicas y de los equipos científicos de El F.T. 410M se presentó a comienzos de 1977, sien-laboratorio donde se necesita un control preciso del do la versión en unidades métricas de la 15” ediciónmovimiento de fluidos. del F.T. 410. La información técnica, con algunas ex- cepciones, se presenta en unidades métricas del SI.La variedad de las aplicaciones de la hidráulica y de Las excepciones aparecen en los casos donde se con-la mecánica de fluidos es tan grande, que cualquier sidera que las unidades utilizadas ahora, fuera del SI,ingeniero ha sentido la necesidad de familiarizarse van a seguir usándose durante un tiempo indefinido,por lo menos con las leyes elementales del flujo de por ejemplo el diámetro nominal de tubería enfluidos Para satisfacer la necesidad de un tratado pulgadas, o cuando no se ha llegado a un acuerdo sobre qué unidades métricas específicas debensimple y práctico sobre flujo de fluidos en tuberías, utilizarse, como es el caso del coeficiente de flujo.Crane Co. publicó en 1935 un folleto titulado “Flowof Fluids and Heat Transmission”; una ediciónrevisada sobre el flujo de fluidos en válvulas, ac- Las sucesivas ediciones del F.T. 410M, al igual quecesorios y tuberías fue publicada en 1942. En 1957 se las del F.T. 410, se actualizan según sea necesariointrodujo una edición completamente nueva del para reflejar la más reciente información de que seFolleto Técnico No. 410 (F.T. 410), con un formato dispone sobre flujo de fluidos. La disposición generaldiferente. En el F.T. 410, Crane Co. presenta la más de la información no ha cambiado. La teoría sereciente información sobre el flujo de fluidos, resu- presenta en los capítulos 1 y 2, las aplicaciones prác-miendo todos los datos necesarios para la solución de ticas en problemas de flujo en los capítulos 3 y 4, lascualquier problema de flujo de fluidos, incluso los propiedades físicas de los fluidos y las característicasmás complicados. de flujo de las válvulas, accesorios y tuberías en el apéndice A, y las tablas de conversiones de unidades,Desde 1957 hasta el presente, se han publicado así como otros datos técnicos útiles, en el apéndice B.numerosas ediciones del Folleto Técnico No. 410. Encada edición se ha tratado de reflejar la última infor-mación de que se disponía sobre el flujo de fluidos. La mayor parte de los datos sobre el flujo de fluidosLa actualización continua sirve de la mejor manera a en válvulas y accesorios se obtuvieron en experimen-los intereses de los usuarios de esta publicación. tos cuidadosamente llevados a cabo en los laboratorios de ingeniería de Crane. Sin embargo, seLa 15 a edición (1976) presentó un cambio de concep- han utilizado libremente otras fuentes de infor-to en cuanto a los valores de la longitud equivalente mación de reconocida garantía en este tema, que se“LID” y el coeficiente de resistencia “K” para mencionan debidamente en el texto. La bibliografíaválvulas y accesorios en relación con el factor de fric- de referencias puede ser utilizada por aquel que deseeción en tuberías. Este cambio tuvo un efecto muy pe- profundizar en el estudio del tema presentado.
  7. 7. Nomenclatura A no ser que se indique lo contrario, todos los símbolos que se utilizan en este libro se definen de la manera siguíenre: A = Área de la sección transversal de tubería u e = Caudal en litros por minuto (galones/minuto) orificio en metros cuadrados (pies (I = Caudal en metros cúbicos por segundo en las cuadrados) condiciones de flujo (pie3/seg) a = Área de la sección transversal de tubería u ori- q’ = Caudal en metros cúbicos por segundo en con- ficio, o área de paso en válvulas, en milíme- diciones métricas normales (1.01325 bar ab- tros cuadrados (pulgadas cuadradas solutos y 15oC) (pie3/seg) B = Caudal en barriles (42 galones USA) por ho- 4-2 = Caudal en millones de metros cúbicos por día ra en condiciones normales (millones de c = Coeficiente de flujo para orificios y toberas pie3/día) = coeficiente de descarga corregido por la ve- qjr = Caudal en metros cúbicos por hora en condi- locidad de avenida = Cd / dq ciones normales (pie3/hora) c, = Coeficiente de descarga para orificios y tobe- 4m = Caudal en metros cúbicos por minuto en las ras condiciones de flujo (pS/minuto) C” = Coeficiente de flujo para válvulas I qm = Caudal en metros cúbicos por minuto en con- D = Diámetro interior de tubería en metros (pies) diciones normales (pie3/minuto) d = Diámetro interior de tubería en milímetros R = Constante individual para cada gas = R,/M (pulgadas) J/kg’K (donde M = peso molecular del gas) Base de los logaritmos neperianos = 2.718 (1545/M) f f Factor de fricción en la fórmula R, = Número de Reynolds hL = fLv=/Dzg, RH = Radio hidráulico en metros (pies) fT = Factor de fricción en la zona de turbulencia R, = Constante universal de los gases = 83 lU/kg- total mol”Kg)ia g= Aceleración de la gravedad = 9.8l metros por 1, = Relación crítica de presiones para fluidos segundo, por segundo (32.2 pics/seg*) compresibles H = Altura total expresada en metros de columna s = Peso específico de líquidos a la temperatura del fluido (pies) de trabajo respecto al agua en temperatura h = Altura manométrica en un punto determina- ambiente (15’C) (6O“F) (densidad relativa) do, en metros de columna de fluido (pies) sg = Peso específico de un gas respecto al aire = hg = Calor total del vapor de agua, en Btu por li- cociente del peso molecular del gas respecto bra al del aire (densidad relativa) hL = Pérdida de carga debida al flujo del fluido, T = Temperatura absoluta, en Kelvin (273 + t) en metros de columna de fluido (pies) (Rankine = 460 + t) h, = Altura manométrica en milímetros de colum- t = Temperatura en grados Celsius (Fahrenheit) na de agua (pulgadas) i;; = Volumen específico de fluido en metros cú- K = Coeficiente de resistencia o de pérdida de car- bicos por kilogramo (pie3/iibra) ga por velocidad en la fórmula hL = Kv1/2gn v = Velocidad media de flujo en metros por mi- L = Longitud de tubería en metros (pies) nuto (pie/minuto)LID = Longitud equivalente de resistencia al flujo. va = Volumen en metros cúbicos (pie3) en diámetros de tubería V = Velocidad media de flujo en metros por se- L, = Longitud de la tubería en kilómetros (millas) gundo (pie/segundo) M = Peso molecular v, = Velocidad sónica (o crítica) de un gas en me- MR = Constante universal de gas tros por segundo (pie/segundo) P = Presión manométrica en Newtons por metro w = Caudal en kilogramos por hora (libra/hora) cuadrado (Pascal) (Iibras/pulg¿) w = Caudal en kilogramos por segundo (libra/seg) p’ = Presión absoluta en Newtons por metro cua- w, = Peso, en kilogramos (libra) drado (Pascal) (Ii bras/gulg3 Y = Factor neto de expansión para fluidos compre- (Véase en la página 1-5 el diagrama indicativo de la relación sibles a través de orificios, toberas o tuberías entre presiones manométrica y absoluta.) z = Altura o elevación potencial sobre el nivel de P = Presión relativa o manométrica en bars referencia en metros (pie) p’ = Presión absoluta en bars (libras/pie?
  8. 8. XII NOMENCLATURA CRANELetras griegas Rho P = Densidad del fluido en kilogramos por metroBeta cúbico (libras/pie3) P = Relación entre los diámetros menor y p’ = Densidad del fluido en gramos por mayor en orificios y toberas durante las centímetro cúbico contracciones o ensanchamientos de las Sigma tuberías z: = SumaGamma Thetay o k = Cociente del calor específico a presión cons- 0 = Ángulo de convergencia o divergencia en los tante entre el calor específico a volumen cons- ensanchamientos o contracciones de las tante = CpICll tuberíasDelta A = Diferencia entre dos puntosEpsilon ê = Rugosidad absoluta o altura efectiva de las irregularidades de las paredes de las tuberías, en milímetros (pies) Subíndices para diámetros (1) * * .indica el diámetro menorMU (2) * * .indica el diámetro mayor P = Viscosidad absoluta (dinámica) en cen- tipoises I-(’ = Viscosidad absoluta en newtons segundo por metro cuadrado (Pascal segundo) (libras Subíndices para las propiedades de los por pie segundo) fluidos PL. = Viscosidad absoluta (dinámica), en libras ma- (1) * * .se refiere a las condiciones de entrada . sa por pie segundo (corriente arriba) t (2) * * .se refiere a las condiciones de salida PC = Viscosidad absoluta, en slugs por pie segundo (corriente abajo)Nu V = Viscosidad cinemática en centistokes. V’ = Viscosidad cinemática en metros cuadrados por segundo (pies2/segundo)
  9. 9. Teoría del flujo de fluidos en tuberías r CAPÍTULO 1IntroducciónEl método más común para transportar fluidos de un punto a otroes impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sec-ción circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece nosólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección trans-versal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.A menos que se indique específicamente, la palabra “tubería” eneste estudio se refiere siempre a un conducto cerrado de seccióncircular y diámetro interior constante.Muy pocos problemas especiales de mecánica de fluidos, como es elcaso del flujo en régimen laminar por tuberías, pueden ser resueltospor métodos matemáticos convencionales; todos los demás proble-mas necesitan métodos de resolución basados en coeficientes deter-minados experimentalmente. Muchas fórmulas empíricas han sidopropuestas como soluciones a diferentes problemas de flujo de flui-dos por tuberías, pero son muy limitadas ygueden aplicarse sólocuando las condiciones del problema se aproximan a las condicio-nes de los experimentos de los cuales derivan las fórmulas.Debido a la gran variedad de fluidos que se utilizan en los procesosindustriales modernos, una ecuación que pueda ser usada para cual-quier fluido ofrece ventajas obvias. Una ecuación de este tipo es lafórmula de Darcy,* que puede ser deducida por análisis dimensio-nal; sin embargo, una de las variables en la fórmula, el coeficientede fricción, debe ser determinado experimentalmente. Esta fórmulatiene una extensa aplicación en el campo de la mecánica de fluidosy se utiliza mucho en este estudio. *La fórmula de Darcy se conoce también como la fórmula Weisbach o la fórmula de Darcy-Weisbach; también como la fórmula de Fanning, modifica- da algunas veces de manera que el coeficiente de fricción sea un cuarto del coe- ficiente de fricción de la de Darcy.
  10. 10. l-2 CAPíTULO l-TEORíA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERiAS CRANE Propiedades físicas de los fluidosLa solución de cualquier problema de flujo de fluidos el mismo principio, toda la información sobrerequiere un conocimiento previo de las propiedades viscosidad en este texto se expresa en centipoises. Lafísicas del fluido en cuestión. Valores exactos de las relación entre el Pascal segundo y el centipoise es:propiedades de los fluidos que afectan a su flujo,principalmente la viscosidad y el peso específico, hansido establecidos por muchas autoridades en la 1Pas = 1 Ns/m’ = 1 kg/(m s) = 10) cPmateria para todos los fluidos utilizados nor- 1 cP = lo-” Pa smalmente y muchos de estos datos se encuentran enlas tablas y cuadros del Apéndice A. En este libro, el símbolo p se utiliza para viscosidades medidas en centipoises y el cc’ para viscosidadesViscosidad: La viscosidad expresa la facilidad que medidas en Pascal segundos. La viscosidad del agua atiene un fluido para fluir cuando se le aplica una 20°C es muy cercana a un centipoise* 0 0.001 Pascalfuerza externa. El coeficiente de viscosidad absoluta, segundos.o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es unamedida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir Viscosidad cinemática: Es el cociente entre ladeformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscosidad dinámica y la densidad. En el sistema in-viscoso en comparación con el agua; a su vez, los ternacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática esgases son menos viscosos en comparación con el el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidadagua. CGS correspondiente es el stoke (St), con dimen- siones de centímetro cuadrado por segundo y el cen-Se puede predecir la viscosidad de la mayor parte de tistoke (cSt), lOe2 stokes, que es el submúltiplo máslos fluidos; en algunos la viscosidad depende del utilizado.trabajo que se haya realizado sobre ellos. La tinta deimprenta, las papillas de pulpa de madera y la salsa 1 m2/s = lo6 cStde tomate, son ejemplos de fluidos que tienen pro- 1 cSt = 1O-6 mZ/spiedades tixotrópicas de viscosidad. (centipoise) v (Centistokes) = ’Existe gran confusión respecto a las unidades que se p (gramos / cm3)utilizan para expresar la viscosidad; de ahí la impor-tancia de utilizar las unidades adecuadas cuando sesustituyen los valores de la viscosidad en las fór- Los factores para la conversión entre las unidades del SI y las del CGS descritas antes, así como los de con-mulas. versión a medidas inglesas para viscosidades dinámicas y cinemáticas, pueden verse en el Apén-Viscosidad absoluta o dinámica: La unidad de dice B.viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI)es el pascal segundo (Pa s) o también newton segundo La medida de la viscosidad absoluta de los fluidospor metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por (especialmente de gases y vapores) requiere de instru-metro segundo (kg/ms). Esta unidad se conoce tam- mental adecuado y de una considerable habilidad expe-bién con el nombre de poiseuille (Pl) en Francia, pero rimental. Por otro lado, se puede utilizar un instru-debe tenerse en cuenta que no es la misma que el mento muy simple, como es un viscosímetro de tubo,poise (P) descrita a continuación. para medir la viscosidad cinemática de los aceites y otros líquidos viscosos. Con este tipo de instru-El poise es la unidad correspondiente en el sistema mentos se determina el tiempo que necesita un volu-CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segun- men pequeño de líquido para fluir por un orificio y lado por centímetro cuadrado o de gramos por medida de la viscosidad cinemática se expresa en tér-centímetro segundo. El submúltiplo centipoise (cP), minos de segundos. 10m2 poises, es la unidad más utilizada para expresarla viscosidad dinámica y esta situación parece que va Se usan varios tipos de viscosímetros de tubo, cona continuar durante algún tiempo. Por esta razón, y escalas empíricas tales como Saybolt Universal,ya que la mayor parte de los manuales y tablas siguen Saybolt Furo1 (para líquidos muy viscosos), Red- *En realidad la viscosidad del agua a 2OT ( 68’Fj es 1.002 centi- poise (“Hundbook of Chemistry and Physics”, 54’ edición, 1973).
  11. 11. CRANE CAPITULO 1-TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS l-3 Propiedades físicas de los fluidos (continuación)wood No. 1 y No. 2 y Engler . En el Apéndice B se litro por kilogramo (litro/kg) o 1 litro/kgincluye información sobre la relación entre estas decímetro cúbico por o 1 dm3/kgviscosidades empíricas y las viscosidades dinámicas y kilogramo (dm3/kg) = 0.001 m”/kgcinemáticas en unidades absolutas. Las variaciones de la densidad y otras propiedades delEl cuadro normalizado por ASTM de temperatura- agua con relación a su temperatura se indican en la viscosidad para productos líquidos de petróleo, página A-10. Las densidades de otros líquidos muy reproducido en la página B-8, se usa para determinar usados se muestran en la página A-12. A no ser que se la viscosidad Saybolt Universal de un producto de consideren presiones muy altas, el efecto de la pre-petróleo, a cualquier temperatura, cuando se conocen sión sobre la densidad de los líquidos carece de im-las viscosidades a dos temperaturas diferentes. Las portancia en los problemas de flujo de fluidos.viscosidades de algunos de los fluidos más comunes aparecen en las páginas A-2 a A-8. Se observa Sin embargo, las densidades de los gases y vapores,que al aumentar la temperatura, la viscosidad de los varían grandemente con la presión. Para los gaseslíquidos disminuye, y la viscosidad de los gases aumen- perfectos, la densidad puede calcularse a partir de lata. El efecto de la presión sobre la viscosidad de los fórmula:líquidos y la de los gases perfectos es tan pequeño que‘no tiene interés práctico en la mayor parte de proble-mas para flujo de fluidos. La viscosidad de los vapo- P’ 105p’ - ‘44 P’- -res saturados o poco recalentados es modificada apre- ‘=RT ’ RT ‘- R Tciablemente por cambios de presión, según se indica enla página A-2 que muestra la variación de la viscosi-dad del vapor de agua. Sin embargo, los datos sobre La constante individual del gas R es igual a la cons-vapores son incompletos y en algunos casos contradic- tante universal para los gases R, = 8314 J/kg-moltorios. Por lo tanto, cuando se trate de vapores que no K dividida por el peso molecular M del gas,sean el de agua, se hace caso omiso del efecto de la pre-sión a causa de la falta de información adecuada. 8314 R - 1545 -y J/kg K MDensidad, volumen específico y peso específico: Ladensidad de una sustancia es su masa por unidad de Los valores de R, así como otras constantes de los ga-volumen. La unidad de densidad en el SI es el ses, se dan en la página A-14. La densidad del aire parakilogramo por metro cúbico y se denota por p (Rho) diversas condiciones de temperatura y presión puede(libras por pie cúbico). encontrarse en la página A-18.Otras unidades métricas que también se usan son: El volumen específico se utiliza a menudo en los cálcu- los de flujo de vapor de agua y sus valores se dan en las tablas de vapor de las páginas A-23 a la A-35. Engramo por centímetro cúbico (g/cm3) 1 g/cm) la página A-20, se da un nomograma para determinar 0 1 g/ml la densidad y el volumen específico de gases.iramo por mililitro (g/ml) l = 1000 kg/m3 El peso específico (o densidad relativa) es una medidaLa unidad correspondiente en el sistema SI para relativa de la densidad. Como la presión tiene unvolumen específico F que es el inverso de la den- efecto insignificante sobre la densidad de los lí-sidad, es el metro cúbico por kilogramo (m3/kg) quidos, la temperatura es la única variable que debe( pie3/libr@. ser tenida en cuenta al sentar las bases para el peso específico. La densidad relativa de un líquido es la relación de su densidad a cierta temperatura, con v=1 p =+ respecto al agua a una temperatura normalizada. A P menudo estas temperaturas son las mismas y se suele utilizar 60”F/60”F (15.6’C/15.6“C). Al redondearA menudo también se usan las siguientes unidades 15.0°C/15.00C no se introduce ningún errorpara volumen específico: apreciable.
  12. 12. l-4 CAPITULO 1-TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS CRANE Propiedades físicas de los fluidos (continuación) cualquier líquido a Para líquidos más ligeros que el agua: p cierta temperatura 140 S= S (60”F/60”F) = p agua a 15“C (6O“F) 130 + grados Baumé Para Iíquidos más pesados que el agua:Se usa un hidrómetro para medir directamente la den-sidad relativa de un líquido. Normalmente se utilizan 145dos escalas hidroméricas, a saber: S (60”F/60°F) = 145 - grados Baumé La escala API que se utiliza P R productos de AA petróleo. Para convertir las medidas de los hidrómetros en Las escalas Baumé, que a su vez usan 2 tipos: uno unidades más útiles, se usa la tabla que aparece en la para líquidos más densos que el agua y otro para pág. B-9. líquidos más ligeros que el agua. La densidad relativa de los gases se define como laLas relaciones entre estas escalas hidrométricas y el relación entre su peso molecular y el del aire, o comopeso específico son: la relación entre la constante individual del aire y la del gas.Para productos de petróleo: 141.5 s = R @re) M (iw9 S (60”F/60”F) = 13 1 .5 + grados API 8 R (tw) = h4 (aire) Regímenes de flujo de fluidos en tuberías: laminar y turbulentoUn experimento simple (el que se muestra abajo), caudal se incrementa, estas láminas continúanmuestra que hay dos tipos diferentes de flujo de moviéndose en líneas rectas hasta que se alcanza unafluidos en tuberías. El experimento consiste en inyec- velocidad en donde las Mminas comienzan a on-tar pequeñas cantidades de fluido coloreado en un lí- dularse y se rompen en forma brusca y difusa, segúnquido que circula por una tubería de cristal y obser- se ve en la figura l-2. Esto ocurre en la llamadavar el comportamiento de los filamentos coloreados velocidad crítica. A velocidades mayores que laen diferentes zonas, después de los puntos de inyec- crítica los filamentos se dispersan de manera indeter-ción. minada a través de toda la corriente, según se indica en la Fig. 1-3.Si la descarga o la velocidad media es pequefia, lasláminas de fluido coloreado se desplazan en líneas El tipo de flujo que existe a velocidades m8s bajasrectas, como se ve en la figura l-l. A medida que el que la crítica se copoce como régimen laminar y a Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Flujo laminar F l u j o e n l a zona crítica, entre las zonas Flujo turbulentoFotografía que muestra cómo los filamentos leminar y de transición Esta fotografía muestra c6mo la turbulencia encoloreados se transportan sin turbulencia por la A ia velocidad critica los filamentos comienzan la corriente dispersa completamente loscorriente da agua. a romperse, indicando que el flujo comienza a filamentos coloreados a poca distancia del pun- ser turbulento. to de introducci6n.
  13. 13. CRANE CAPíTULO 1 -TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS 1-5 Regímenes de flujo de fluidos en tuberías: laminar y turbulento Icontinuación)veces como régimen viscoso. Este régimen se Ecuación 1-2caracteriza por el deslizamiento de capas cilíndricasconcéntricas una sobre otra de manera ordenada. Lavelocidad del fluido es máxima en el eje de la tubería (Véanse otras formas de esta misma ecuación en la página 3-2)y disminuye rápidamente hasta anularse en la paredde la tubería. Para estudios técnicos, el régimen de flujo en tuberías se considera como laminar si el número deA velocidades mayores que la crítica, el régimen es Reynolds es menor que 2 000 y turbulento si elturbulento. En el régimen turbulento hay un movi- número de Reynolds es superior a 4 000. Entre estosmiento irregular e indeterminado de las partículas del dos valores está la zona denominada “crítica” dondefluido en direcciones transversales a la dirección prin- el régimen de flujo es impredecible, pudiendo sercipal del flujo; la distribución de velocidades en el laminar, turbulento o de transición, dependiendo derégimen turbulento es más uniforme a través del muchas condiciones con posibilidad de variación. Ladiámetro de la tubería que en régimen laminar. A experimentación cuidadosa ha determinado que lapesar de que existe un movimiento turbulento a zona laminar puede acabar en números de Reynoldstravés de la mayor parte del diámetro de la tubería, tan bajos como 1 200 o extenderse hasta los 40 000,siempre hay una pequeña capa de fluido en la pared pero estas condiciones no se presentan en la practica.de la tubería, conocida como la “capa periférica” o“subcapa laminar”, que se mueve en régimen Radio hidráulico: A veces se tienen conductos conlaminar. sección transversal que no es circular. Para calcular el número de Reynolds en estas condiciones, elVelocidad media de flujo: El término “velocidad”, a diámetro circular es sustituido por elS diámetromenos que se diga lo contrario, se refiere a la equivalente (cuatro veces el radio hidráulico). Debenvelocidad media o promedio de cierta sección utilizarse los coeficientes de fricción dados en las pá-transversal dada por la ecuación de continuidad para ginas A-43 y A-44.un flujo estacionario: superficie de la sección 4 transversal de la vena líquida w v=-=-=-WV RH = Ecuación l-l perímetro mojado A AP A Wbse la nomenclatura en la pAgina anterior al Capítulo 1) Esto se aplica a cualquier tipo de conducto (conducto circular no completamente lleno, ovalado, cuadradoVelocidades “razonables” para ser consideradas en o rectangular), pero no a formas muy estrechas, comotrabajos de proyecto se dan en las páginas 3-9 y 3-30. aberturas anulares o alargadas, donde la anchura es pequena con relación a la longitud. En tales casos, elNúmero de Reynolds: Las investigaciones de Os- radio hidráulico es aproximadamente igual a la mitadborne Reynolds han demostrado que el régimen de flu- de la anchura del paso.jo en tuberías, es decir, si es laminar o turbulento, de-pende del diámetro de la tubería, de la densidad y la La siguiente fórmula sirve para calcular el caudal:viscosidad del fluido y de la velocidad del flujo. Elvalor numérico de una combinación adimensional deestas cuatro variables, conocido como el número de 4Reynolds, puede considerarse como la relación de lasfuerzas dinámicas de la masa del fluido respecto a los donde d2 está basado en un diámetro equivalente deesfuerzos de deformación ocasionados por la viscosi- la sección transversal real del flujo y D se sustituyedad. El número de Reynolds es: por 4R,.
  14. 14. l-6 CAPITULO l-TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS CRANE Ecuación general de energía Teorema de Bernoulli El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de 2 + 144p +$=H la aplicación de la ley de la conservación de la energía P al flujo de fluidos en una tubería. La energía total en un punto cualquiera por encima de un plano horizon- tal arbitrario fijado como referencia, es igual a la Si las pérdidas por rozamiento se desprecian y no se aporta o se toma ninguna energía del sistema de tuberías (bombas o turbinas), la altura total H en la ecuación anterior permanecerá constante para cual- quier punto del fluido. Sin embargo, en la realidad existen pérdidas o incrementos de energía que deben incluirse en la ecuación de Bernoulli. Por lo tanto, el balance de energía puede escribirse para dos puntos del fluido, según se indica en el ejemplo de la figura 1.4. Nótese que la pérdida por rozamiento en la tubería desde el punto uno al punto dos (h,) se expresa como la pérdida de altura en metros de fluido (pies de fluido). La ecuación puede escribirse de la siguiente manera: Plano horizontal arbitrario de referencia I Ecuación 1-3 Figura 1-4 Balance de energía para dos puntos de un fluido Adaptado de Fluid Mechan&* por R. A. Dodge y M. J. Thompson. Copyright 1937; McGraw-Hill Book Company, Inc. suma de la altura geométrica, la altura debida a la presión y la altura debida a la velocidad, es decir: Todas las fórmulas prácticas para el flujo de fluidos se derivan del teorema de Bernoulli, con modifica- ciones para tener en cuenta las pérdidas debidas al ZL + -? = H Mn 2g, rozamiento.*El número de la referencia remite a Ia bibliografía.
  15. 15. CRANE CAPITULO ?-TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS l-7 Medida de la presión Cualauiar oresidn oor encima de la atmosfhica En la figura I-5 se ilustra gráficamente la relación en- tre las presiones absoluta y manométrica. El vacío perfecto no puede existir en la superficie de la Tierra pero es, sin embargo, un punto de referencia conve- niente para la medición de la presión. Presión atmosfkica-Variable’ I Presidn barométrica es el nivel de la presión at- mosférica por encima del vacío perfecto. .o n: > Cualquier presi6n p o r 1 debajo de la atmosf&ica La presidn atmosférica normalizada es 1 .01325 bar (14.696 libras/pulg *) o 760 mm de mercurio. La presión manométrica es la presión medida por en- cima de la atmosférica, mientras que la presión ab- soluta se refiere siempre al vacío perfecto. Cero absoluto o vacío perfecto Vacío es la depresión por debajo del nivel at- mosférico. La referencia a las condiciones de vacío se Figura 1-5 hace a menudo expresando la presión absoluta en tér- Relaci6n entre las presiones manom&rica y absoluta minos de altura de columna de mercurio o de agua. Las unidades utilizadas normalmente son milímetros de mercurio, micras de mercurio, pulgadas de agua y pulgadas de mercurio. Fórmula de Darcy Ecuación general del flujo de fluidosEl flujo de los fluidos en tuberías está siempre acom-panado de rozamiento de las partículas del fluido en-tre sí y, consecuentemente, por la pérdida de energía -disponible; en otras palabras, tiene que existir una Figura l-6pérdida de presión en el sentido del flujo. Si se conec-tan dos manómetros Bourdon a una tubería por laque pasa un fluido, según se indica en la figura 1-6, el La ecuación de Darcy es válida tanto para flujomanómetro P, indicaría una presión estatica mayor laminar como turbulento de cualquier líquido en unaque el manómetro PZ. tubería. Sin embargo, puede suceder que debido a velocidades extremas, la presión corriente abajoLa ecuación general de la pérdida de presión, conoci- disminuya de tal manera que llegue a igualar lada como la fórmula de Darcy y que se expresa en me- presión de vapor del líquido, apareciendo eltros de fluido, es: h, = fLv2/D 2g,,. Esta ecuación fenómeno conocido como cavitación y los caudales*también puede escribirse para obtener la pérdida de obtenidos por cálculo serán inexactos. Con laspresión en newtons por m* (pascals) sustituyendo las restricciones necesarias la ecuación de Darcy puedeunidades correspondientes de la manera siguiente: utilizarse con gases y vapores (fluidos compresibles). Ecuación d4 Estas restricciones se mencionan en la página l-9. Ap = 20 pfLvz Con la ecuación l-4 se obtiene la pérdida de presión (ya que AP = hL x P x 8,) *En México y algunos otros países”de Amtrica Latina es más fre- ap= PfLV2 cuente utilizar los ttrminos “gasto-masa,” (kghnidad de tiempo), 144Dzg o “gasto-volumen” (metros cúbicoshnidad de tiempo), que el concepto general de “caudal”. Para fines de este texto, se usará el ‘IVBanse otras formas de esta misma ecuación en la phgina 3-2) término “caudal” en forma equivalente a los antes mencionados.
  16. 16. l-8 CAPíTULO 1-TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERiAS CRANE Fórmula de Darcy (continuación)debida al rozamiento y se aplica a tubería de Si esta ecuación se sustituye en la ecuación l-4 la pér-diámetro constante por la que pasa un fluido cuya dida de presión en newtons por mz es:densidad permanece razonablemente constante, através de una tubería recta, ya sea horizontal, vertical AP = 32000% Ecuación 1-5o inclinada. Para tuberías verticales, inclinadas o dediámetro variable, el cambio de presión debido a y en el sistema ingles, la caida de presión en libras porcambios de elevación, velocidad o densidad del pulgada cuadrada es:fluido debe hacerse de acuerdo con el teorema de rLvBernoulli (página l-6). Véase un ejemplo para utili- A/‘= 0.000668-p-zar este teorema en la página 4-12. que es la ley de Poiseuille para flujo laminar.Factor de fricción: La fórmula de Darcy puede Cuando el flujo es turbulento (R, > 4000) el factor dededucirse por análisis dimensional con la excepción fricción depende no sólo del número de Reynolds,del factor de fricciónf, que debe ser determinado ex- sino también de la rugosidad relativa de las paredesperimentalmente. El factor de fricción para condi- de la tubería, E/d, es decir, la rugosidad de lasciones de flujo laminar (R, < 2000) es función sólo del paredes de la tubería (E) comparada con el diámetronúmero de Reynolds; mientras que para el flujo tur- de la tubería (d). Para tuberías muy lisas, como las debulento (R, > 4000) es también función del tipo de latón extruido o vidrio, el factor de fricciónpared de la tubería. disminuye más rápidamente con el aumento del número de Reynolds, que para tuberías con paredesLa región que se conoce como la “zona crítica” más rugosas.aparece entre los números de Reynolds de 2000 a4000. En esta región el flujo puede ser tanto laminar Como el tipo de la superficie interna de la tuberíacomo turbulento, dependiendo de varios factores; comercial es prácticamente independiente deléstos incluyen cambios de sección, de dirección del diámetro, la rugosidad de las paredes tiene mayorflujo y obstrucciones tales como válvulas corriente efecto en el factor de fricción para diámetros pe-arriba de la zona considerada. El factor de fricción queños. En consecuencia las tuberías de pequeñoen esta región es indeterminado y tiene límites más diámetro se acercan a la condición de gran rugosidadbajos si el flujo es laminar y más altos si el flujo es y en general tienen mayores factores de fricción queturbulento. tuberías del mismo material pero de mayores diámetros.Para números de Reynolds superiores a 4000, lascondiciones de flujo vuelven a ser más estables y La información más útil y universalmente aceptadapueden establecerse factores de rozamiento sobre factores de fricción que se utiliza en la fórmuladefinitivos. Esto es importante, ya que permite al in- de Darcy, la presentó L.F. Moody*8 y es la que segeniero determinar las características del flujo de reproduce en las páginas A-41 a A-44. El profesorcualquier fluido que se mueva por una tubería, supo- Moody mejoró la información en comparación conniendo conocidas la viscosidad y la densidad en las los conocidos diagramas de factores de fricción, decondiciones del flujo. Por esta razón, la ecuación l-4 Pigott y Kemler ,25,26 incorporando investigacionesse recomienda con preferencia sobre algunas de las más recientes y aportaciones de muchos científicos deecuaciones empíricas usadas normalmente para el gran nivel.agua, petróleo y otros líquidos, así como para el flujode fluidos compresibles teniendo en cuenta las El factor de fricción f, se grafica en la página A-43restricciones antes citadas. con base a la rugosidad relativa obtenida del cuadro de la página A-41 y el número de Reynolds. El valor fSi el flujo es laminar (R, < 2000), el factor de fricción se determina por la proyección horizontal de la in-puede determinarse a partir de la ecuación: tersección de la curva E/d segúir el número de Reynolds calculado en la escala vertical a la izquierda f = z - 64iJ’ - b41-( del cuadro de la página A-43 Como la mayor parte e DVP dvp de los cálculos tratan con tuberías de acero comercial o tuberías de hierro forjado, el cuadro de la página A-44 facilita la determinación más rápida. Debe 64 64 P, 64 P tenerse en cuenta que estos valores sólo se aplican =--- f R=K=---- c P i24dvp cuando las tuberías son nuevas y están limpias.
  17. 17. CRANE CAPiTULO l-TEORíA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS l-9 Fórmula de Darcy (continuación) Efecto del tiempo y uso en la fricción de tuberias: Los técnicos experimentados indican que laLas pérdidas por fricción en tuberías son muy sen- rugosidad puede incrementarse con el uso (debido asibles a los cambios de diámetro y rugosidad de las la corrosión o incrustación) en una proporción deter-paredes. Para un caudal determinado y un factor de minada por el material de la tubería y la naturalezafricción fijo, la pérdida de presión por metro de del fluido. Ippenls, comeniando sobre el efecto deltubería varía inversamente a la quinta potencia del paso del tiempo, cita una tubería de 4 pulgadas dediámetro. Por ejemplo, si se reduce en 2% el acero galvanizado que duplicó su rugosidad e incre-diámetro, causa un incremento en la pérdida de la mentó el factor de fricción en 20% después de 3 añospresión del ll Vo; a su vez, una reducción del 5% pro- de un uso moderado.duce un incremento del 29%. En muchos de los ser-vicios, el interior de la tubería se va incrustando concascarilla, tierra y otros materiales extraños; luego,es una práctica prudente dar margen para reduc-ciones del diámetro de paso. Principios del flujo de fluidos compresibles en tuberíasLa determinación exacta de la pérdida de presión de Cuando se trabaja con fluidos compresibles comoun fluido compresible que circula por una tubería re- aire, vapor de agua, etc., deben tenerse en cuenta lasquiere un conocimiento de la relación entre presión y siguientes restricciones al utilizar la fórmula devolumen específico; esto no es fácil de determinar D a r c y :para cada problema particular. Los casos extremosconsiderados normalmente son el flujo adiabático 1. Si la pérdida de presión calculada (P, - PJ es me-(P’VV, = constante) y el flujo isotérmico (P’V, = nor que el 10% de la presión de entrada P,, se ob-constante). El flujo adiabático se supone que ocurre tiene una exactitud razonable si el volumen especí-en tuberías cortas y bien aisladas. Esto es debido a que fico que se introduce en la fórmula se basa en lasno se transfiere calor desde o hacia la tubería, excep- condiciones de entrada o en las condiciones de sa-to la pequeña cantidad de calor que se produce por lida, cualesquiera que sean conocidas.fricción que se añade al flujo. 2 . Si la caída de presión calculada (P, - PJ es ma- yor que un 10% pero menor que un 40% de la pre-El flujo isotérmico o flujo a temperatura constante se sión de entrada P,, la ecuación de Darcy puedeconsidera que ocurre muy a menudo, en parte por aplicarse con razonable precisión utilizando el vo-conveniencia, o más bien, porque se acerca más a la lumen específico basado en una media de las con-realidad de lo que sucede en las tuberías. El caso ex- diciones de entrada y de salida; de otra forma setremo de flujo isotérmico sucede en las tuberías de puede utilizar el método que se menciona en la pá-gas natural. Dodge y Thompson’ demuestran que gina l-ll.el flujo de gas en tuberías aisladas está muy cerca delflujo isotérmico para presiones muy altas. 3 . Para pérdidas de presión mayores, como las que se encuentran a menudo en tuberías largas, debenComo la relaciôn entre presión y volumen puede utilizarse los métodos que se detallan en las pági-adoptar cualquier otra forma (P’r<: = constante) nas siguientes.llamado flujo politrópico, la informaci0n específicaen cada caso es prácticamente imposible. Ecuación para flujo totalmente isotérmico: El flujo de gases en tuberías largas se aproxima mucho a lasLa densidad de los gases y de los vapores varía con- condiciones isotérmicas. La pérdida de presión ensiderablemente con la presión; por lo tanto, si la caí- tales tuberías es a menudo grande con relación a lada de presión entre P, y P2 en la figura 1-6 es grande, presión de entrada, y la solución de este problema caela densidad y la velocidad cambian de manera sig- fuera de los límites de la ecuación de Darcy. Unanificativa. determinación exacta de las características del flujo
  18. 18. l-10 CAPITULO 1 -TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS CRANE Principios del flujo de fluidos compresibles en tuberías (continuación)dentro de esta categoría puede hacerse utilizando la de la siguiente manera:ecuación para flujo totalmente isotérmico. Ecuación l-7a Ecuación 1-S w’ = VI 1 [ (p’l)? - (p’,)’ d” q’* = I 1 4 . 2 .í L, 7‘ s, r Otras fórmulas usadas comúnmente para el flujo de fluidos compresibles en tuberías largas:Esta fórmula se desarrolla en base a las siguientes Formula de Weymouthz4: Ecuación 1-Shipótesis: 1. Flujo isotérmico. 2. No se aporta ni se realiza trabajo mecánico sobre o por el sistema. 3. La velocidad de flujo o descarga permanece constante con el 1 7’ tiempo. 4. El gas responde a las leyes de los gases perfectos. 5. La velocidad puede ser representada por la velocidad media en una sección. q’* = 2g,o &.““? J[ (P’,)* - (P’,i’ ~-___ so Lnl 520 ~ 6. El factor de fricción es constante a lo largo de la tubería. Fórmula de Panhandle3 para tuberías de gas natural 7. La tubería es recta y horizontal entre los puntos extremos. entre 6 y 24 pulgadas de diámetro y números de Reynolds entre 5 x 106 a 14 x 106 y S, = 0.6:Flujo compresible simplificado-Fhmula paratuberías de gas: En la práctica de la ingeniería de Ecuación 1-Stuberías de gas se añade una hipótesis más a lasanteriores. 8. La aceleración puede despreciarse por ser la tubería larga. 1Entonces, la fórmula para la descarga en una tubería qlh = j6,8 E p,8* CP’I)’ i_ (p’2)2 o.53g4horizontal puede escribirse de la siguiente manera: [ >n El factor de eficiencia del flujo E se define como un factor tomado de la experiencia, y se supone normal- mente que es 0.92 o 92% para las condiciones de ope- ración promedio. En la página 3-4 se dan valores pa- ra E en otras condiciones de operación. Nota: Las presiones P,’ y Pi en todas las ecuacionesEsta es equivalente a la ecuación para flujo anteriores, se dan en newtons por metro cuadrado. Entotalmente isotérmico, si la tubería es larga y también la página 3-4 aparecen las ecuaciones con las presio-para tuberías mas cortas cuando la relación entre la nes en bars, p; pi.pérdida de presión y la presibn inicial es pequefia. Comparación de fórmulas.para flujo de fluidos com-Como los problemas de flujo de gas se expresan nor- presibles en tuberías: Las ecuaciones 1-7 a l-9 semalmente en términos de metros cúbicos por hora derivan de la misma fórmula básica, pero difieren en(pies cúbicos por hora) en condiciones normales, es la selección de datos usados para determinar los fac-conveniente adaptar la ecuación l-7 a estas unidades tores de fricción.
  19. 19. CRANE CAPITULO 1 -TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERiAS l - l l Principios del flujo de fluidos compresibles en tuberías (continuación)Los factores delfricción, de acuerdo con el diagrama La velocidad máxima de un fluido compresible ende Moody, l8 se utilizan normalmente con la fórmula una tubería está limitada por la velocidad de pro-simplificada para flujo compresible (Ecuación l-7). pagacion de una onda de presión que se mueve a laSin embargo, si los mismos factores de fricción de las velocidad del sonido en el fluido. Como la presiónfórmulas de Weymouth o Panhandle) se usan en decrece y la velocidad se incrementa a medida que ella formula simplificada, se obtienen resultados idén- fluido se mueve corriente abajo por una tubería deticos. sección constante, la velocidad máxima aparece en el extremo de salida de la tubería. Si la perdida deEl factor de fricción de Weymouthz4 se define como: presión es muy alta, la velocidad de salida coincide con la velocidad del sonido. Al reducir aún más la presión en la salida, no se detecta corriente arriba ya f=- 0.094 o.oj2 que la onda de presión sólo se mueve a la velocidad d”3 f=,, del sonido y la “señal” no se traslada corriente arriba. El “exceso” de caída de presión obtenido al reducir la presión en el exterior después de haber alcanzadoÉste coincide con el factor de fricción de Moody paraflujo completamente turbulento para tuberías de 20 el máximo de descarga se produce más allá del extre- mo de la tubería. Esta presión se disipa en ondas depulgadas de diámetro interior. Sin embargo, los fac- choque y turbulencias del fluido salientes.tores de fricción de Weymouth son mayores que losde Moody para pasos inferiores a 20 pulgadas y más La velocidad máxima en una tubería es la velocidadpequeños para pasos superiores a 20 pulgadas sbnica, expresada como:El factor de fricción de Panhandle3 se define como: Ecuación l-10 0.1.F.l v,= &iF=&Fr Z’, = JkgRT= Jkg,4‘$PfV 0. ,461 j= G.lZZ~ cl 6 -) 7 qhco Donde y, el cociente de los calores específicos a pre-En la escala de flujos a que se limita la fórmula de sión constante y a volumen constante, para la mayorPanhandle, se tienen factores de fricción inferiores a parte de los gases diatómicos es 1.4; véanse las pág?-los obtenidos a partir de los datos de Moody así como nas A- 14 y A- 16 de los valores de y para gases y vaporpara la fórmula de friccion de Weymouth. En conse- de agua respectivamente. Esta velocidad aparece en elcuencia, los caudales obtenidos por la fórmula de Pan- extremo de salida o en una reducción de sección, cuan-handle son normalmente mayores que los obtenidos do la caída de presión es muy alta. La presión, tem-por la fórmula simplificada para flujo compresible, peratura y el volumen específico son los que existencon los factores de fricción de Moody o la formula en el punto en cuestión. Cuando existe descarga de flui-de Weymouth. dos compresibles en el extremo de una tubería corta y de sección uniforme hacia un recinto de mayor sec-En la página 4-18 se muestra un ejemplo sobre la ción, se considera que el flujo es adiabático. Esta hi-variación de los caudales obtenidos al emplear estas pótesis está soportada por información experimentalfórmulas en condiciones específicas. en tuberías con longitudes de 220 y 130 diámetros que descarga aire a la atmósfera. La investigación com- pleta del análisis teórico del flujo adiabático,19 ha da-Flujo límite de gases y vapores: La característica no do pie a establecer los factores de corrección que puedanevidente en las fórmulas precedentes (Ecuaciones l-4, aplicarse a la ecuación de Darcy bajo estas condicio-y l-6 a 1-9 inclusive), es que el caudal (kg/segundo) nes de flujo. Como estos factores de corrección com-(lb/seg) en peso, de un fluido compresible que pasa pensan los cambios de las propiedades del fluidopor una tubería con una determinada presión en la en- debido a la expansión del mismo, se identifican comotrada, se aproxima a un cierto valor máximo que no factores netos de expansión Y; véase página A-40.puede ser superado por más que se reduzca la presiónen la salida. La fórmula de Darcy incluyendo el factor Y es:
  20. 20. 1-12 CAPíTULO 1 -TEORiA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERíAS CRANE Principios del flujo de fluidos compresibles en tuberías (continuación) derecha de los diagramas en la página A-40 deben w = 1.111 x lo-” Ydl utilizarse en la ecuación l-ll. Ecuacidn l - l l ’ La aplicación de la ecuación l-1 1 y la determinación AP de los valores de K, Y y AP en la fórmula se demues- .U’ = 0.525 .Y8 KV, tra con ejemplos en las páginas 4-20 y 4-22. (En la página 2-10 se define el coeficiente de resistencia Kj Los diagramas de la página A-40 se basan en las leyes generales para gases perfectos en condiciones de velo-Obsérvese que el valor de K en esta ecuación es el cidad sónica en el extremo de salida; estos diagramascoeficiente de resistencia total de la tubería, incluyen- proporcionan resultados para todos los gases que sigando las pérdidas de entrada y salida cuando existan, en forma aproximatia las leyes de los gases perfectos.así como las pérdidas debidas a válvulas y accesorios. El vapor de agua y los vapores se desvían de las leyes La caída de presión AP en la relación AP/P,’ que se de los gases perfectos; por lo tanto, la aplicación del usa para la determinación de Yen los diagramas de la factor Y, que se obtiene en estos cuadros para estas página A-40 es la diferencia medida entre la presión descargas, suministrará caudales ligeramente mayores de entrada y la presión del área mayor de sección (hasta 5% aproximadamente) que los que se calculantransversal. En un sistema que descarga fluido com- sobre la base de velocidad sónica en el extremo de sa-presible a la atmósfera, AIJ es igual a la presión ma- lida. Sin embargo, se obtiene más exactitud si se utili-nométrica de entrada, o bien la diferencia entre la zan los cuadros para establecer la presión en la salidapresión absoluta de entrada y la presión atmosférica. cuando existe velocidad sónica y las propiedades delEl valor de AP también se usa en la ecuación 1-l 1, fluido en estas condiciones de presión se utilizan ensiempre que el factor Y esté dentro de los límites defi- las ecuaciones de velocidad sónica y de continuidadnidos por las curvas del factor de resistencia K en los (Ec. 3-8 y 3-2 respect.) para hallar el caudal.diagramas de la página A-40. Cuando la razón .AP/P,‘,utilizando AP definida antes, quede fuera de los Un ejemplo de este tipo de problema de descarga selímites de las curvas K en los diagramas, se alcanza la presenta en la página 4-20.velocidad sónica en el punto de descarga o en algunareducción de sección de la tubería y los valores límites Esta forma de flujo se compara con el flujo a través depara Y y AP, que aparecen en las tabulaciones a la toberas y tubos Venturi descritos en la página 2-19, cuyas soluciones de dichos problemas son similares.*Véase en la phgina 3-5 la ecuación con la pérdida de presión (&)expresada en bars.
  21. 21. CRANE CAPiTULO 1-TEORIA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERiAS 1-13 Vapor de agua Comentarios generalesEl agua, en condiciones atmosféricas normales, se Si el agua se calienta en un recipiente cerrado que noencuentra en estado líquido. Cuando cierta cantidad esté completamente lleno, la presión aumentade agua se calienta por un medio externo la después de que se empieza a formar vapor y estetemperatura del agua aumenta, notándose en la aumento provoca un incremento de temperatura.superficie pequeñas burbujas que se rompen y se for-man continuamente. A este fenómeno se le llama La tercera etapa comienza cuando el vapor a una“ebullición”. determinada presión se calienta por encima de la temperatura del vapor saturado a esa presión. ElExisten tres etapas diferentes durante el proceso de vapor se llama entonces sobrecalentado.conversión del agua a vapor. El agua debe de estarhirviendo antes de que se pueda formar el vapor, y el El calor es una de las formas de la energía y la unidadvapor sobrecalentado no puede formarse hasta que del SI para todas sus formas es el joule (J). Esta esel vapor esté completamente seco. una unidad muy pequeña y a menudo es conveniente utilizar el kilojoule (kJ) o su múltiplo mayor mega-En la primera etapa, el calor se aplica para incrementar joule (MJ).la temperatura del agua hasta el punto de ebullicióncorrespondiente a las condiciones de presión bajo las La unidad del SI de energía por unidad de masa es elcuales se proporciona calor. El punto de ebullición joule por kilogramo (J/kg) o un múltiplo de estase conoce normalmente como la temperatura de ge- unidad; en las tablas para vapor que se proporcionanneración o saturación. La cantidad de calor requeri- en las páginas de la A-23 a A-35, se da informacióndo para subir la temperatura del agua desde 0°C has- detallada sobre la entalpía específica del vapor enta la temperatura de saturación se conoce como en- kilojoule por kilogramo (kJ/kg), para un límitetalpía del agua o calor sensible. amplio de condiciones de presión y temperatura. El dato de referencia es OoC. A partir de la tabla de laEn la segunda etapa se proporciona calor al agua hir- página A-23 la entalpía específica (calor sensible) delviendo y, bajo condiciones de presión constante, el agua a 1 bar absoluto es 417.5 kJ/kg y la entalpíaagua se convierte en vapor sin aumentar la específica de evaporación (calor latente) es 2557.9temperatura. Esta es la fase de evaporación o de kJ/kg. En consecuencia, el calor total o energía delcalor latente; en esta fase, con el vapor en contacto vapor que se forma cuando el agua hierve a unacon el agua líquida, el vapor se encuentra en la con- presión de 1 bar es la suma de estas dos cantidades, esdición conocida como saturado. Puede estar “seco” decir, 2 675.4 kJ/kg.o “húmedo” dependiendo de las condiciones degeneración. El vapor saturado “seco” es vapor libre La relación entre un joule y la unidad térmicade partículas de agua. Vapor saturado “húmedo” es británica (Btu) se define por la ecuacrón:el que contiene partículas de agua en suspensión. Elvapor saturado a cualquier presión tiene unatemperatura definida. 1 Btu/lb = 2.326 J/g = 2.326 kJ/kg
  22. 22. Flujo de fluidos en válvulas y accesorios CAP/TULO 2IntroducciónEl capítulo precedente se refirió a la teoría y fórmulas usadas en elestudio del flujo de fluidos en tuberías. Ya que las instalaciones in-dustriales en su mayor parte están constituidas por válvulas y acce-sorios, es necesario un conocimiento de su resistencia al paso de flui-dos para determinar las características de flujo en un sistema de tu-berías completo.Muchos textos en hidráulica no contienen información sobre laresistencia al flujo en válvulas y accesorios, mientras otros presen-tan sólo unos comentarios al respecto. Al considerar la necesidadde contar con una información mas. completa y detallada sobre laresistencia al flujo en válvulas y accesorios, Crane Co. ha realizadopruebas exhaustivas en sus laboratorios de ingeniería y también ha pa-trocinado investigaciones en otros laboratorios; estas pruebas se hansuplementado con un estudio completo de todos los datos publica-dos sobre el tema. El apéndice A contiene datos de estas pruebasy los resultados se han combinado, obteniéndose una base para elcálculo de la pérdida de presión en válvulas y accesorios.En la tabla del factor “R’ de las páginas A-46 a A-49, se dan lasresistencias al flujo típjcas de diversos componentes de los sistemasde tuberías.Para el flujo en la zona de turbulencia completa, el nomograma dela página A-50 muestra la relación entre la longitud equivalente, endiámetros de tubería y en metros (en pies) de tubería, el coeficientede resistencia K y el diámetro de la tubería.En las páginas 2-10 a 2-13 se presentan comentarios sobre la longi-tud equivalente y el coeficiente de resistencia K, así como sobre elcoeficiente de flujo C,, que son métodos para calcular la pérdidade presión en válvulas y accesorios.

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