Sistemas de tuberías

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.

El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de petróleo o gas, requieren de la aplicación de conceptos básicos relacionado con el flujo de fluidos en tuberías en sistemas sencillos y en red de tuberías, el uso de válvulas accesorios y las técnicas necesarias para diseñar y especificar equipos utilizados en operaciones de superficie.

Los fluidos de un yacimiento de petróleo son transportados a los separadores, donde se separan las fases líquidas y gaseosas. El gas debe ser comprimido y tratado para su uso posterior y el líquido formado por petróleo agua y emulsiones debe ser tratado para remover el agua y luego ser bombeado para transportarlo a su destino.

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, el flujo 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 requiere entonces de la elaboración de redes de distribución que pueden ser de varios tipos:

• Tuberías en serie.

• Tuberías en paralelo.

• Tuberías ramificadas.

• Redes de tuberías

SISTEMAS DE TUBERÍAS

Los sistemas de tuberías están formados por tramos de tuberías y aditamentos que se alimentan aguas arriba por un depósito o una bomba y descargan aguas abajo libremente a la atmósfera o a otro depósito. En cualquier sistema de tuberías se pueden presentar los tres problemas hidráulicos vistos anteriormente: cálculo de pérdidas, comprobación de diseño y diseño de la tubería. Siempre se trata de llegar a sistemas determinados en que a partir de unos datos se tienen inequívocamente n incógnitas para n ecuaciones.

SISTEMAS SENCILLOS

Están compuestos por un conducto único alimentado en el extremo de aguas arriba por un depósito o por una bomba y descargan a otro depósito o a la atmósfera. El conducto tiene una

longitud determinada y accesorios que producen pérdidas de energía. Las ecuaciones básicas son la de la energía y la de continuidad para una vena líquida:

ECUACIÓN 25. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA PARA SISTEMAS SENCILLOS

ECUACIÓN 26.FORMULA DE CONTINUIDAD PARA SISTEMAS SENCILLOS

IMAGEN 14. SISTEMA DE TUBERÍA SENCILLO

Existes varios casos para poder calcular las diferentes incógnitas que se pueden presentar en el momento de estudiar un sistema de tuberías simples , los casos se presentan continuación:

CASO 1 .

Datos

tubería D,L,e

Fluido µ,ρ

Flujo Q

Calculo: Perdida de carga hp

Resolución:

IMAGEN 15. CASO DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMA CASO 1

CASO 2.

Datos

tubería D,L,e

Fluido µ,ρ

Flujo hp

Calculo: caudal Q

Resolución

IMAGEN 16. CASO DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMA CASO 2

CASO 3.

Datos

tubería D,L,e

Fluido µ,ρ

Flujo hp

Calculo: diámetro D

Resolución:

IMAGEN 17. CASO DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMA CASO 4

En las dos ecuaciones , se tienen como incóngnitas f y D, la resolución símultanea son los interativos

TUBERÍAS EN SERIE Se habla de tuberías en serie cuando se quiere llevar el fluido de un punto a otro punto por un solo camino. En este caso se cumplen las siguientes leyes:

Los caudales son los mismos para cada uno de los tramos de tubería:

ECUACIÓN 27. FORMULA DE ENERGÍA PARA TUBERÍAS EN SERIE

IMAGEN 18.SISTEMA DE TUBERÍA EN SERIE

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 de problemas se representan en la tabla siguiente:

TABLA 5. DIFERENTES TIPOS DE PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS EN SERIE

TUBERÍAS EN PARALELO

Se habla de tuberías paralelo cuando se establecen varios caminos para llevar el fluido de un punto a otro. Como en el ejemplo de la figura: En este caso se cumplen las leyes siguientes:

El caudal total será igual a la suma de los caudales de cada rama:

ECUACIÓN 28.FORMULA DE CAUDALES PARA TUBERÍAS EN PARALELO

ECUACIÓN 29.FORMULA DE PERDIDAS PARA TUBERÍAS EN

PARALELO

IMAGEN 19. SISTEMAS DE TUBERÍAS EN PARALELO

TUBERÍAS RAMIFICADASSe habla de tuberías ramificadas cuando el fluido se lleva de un punto a varios puntos diferentes. Este caso se presenta en la mayoría de los sistemas de distribución de fluido, por ejemplo una red de tuberías de agua en una vivienda, como el ejemplo de la figura. En este caso el sistema de tuberías se subdivide en ramas o tramos, que parten de un nodo hasta el nodo siguiente. Los nodos se producen en todos los puntos donde la tubería se subdivide en dos o más, pudiéndose añadir nodos adicionales en los cambios de sección para facilitar el cálculo. En este caso para cada nodo se cumple la ecuación de continuidad:

ECUACIÓN 30. FORMULA DE CONTINUIDAD PARA TUBERÍAS RAMIFICADAS

y en cada tramo, entre dos nodos, se cumple la ecuación de Bernoulli generalizada:

ECUACIÓN 32.FORMULA DE ENERGÍA PARA TUBERÍAS RAMIFICADAS

IMAGEN 20. SISTEMAS DE TUBERÍAS RAMIFICADAS

El caso más sencillo de sistemas de tuberías ramificadas es cuando se tienen 3 tramos, como en la figura. Este sistema ramificado es gobernado por un sistema de 4 ecuaciones, donde supondremos inicialmente que el diámetro de tubería es constante en cada tramo, por lo cual en la ecuación de Bernoulli generalizada las velocidades se cancelan

ECUACIÓN 33. FORMULA DE BERNOULLI Y DEDUCCIÓN DE CAUDALES

IMAGEN 21.SISTEMAS DE TUBERÍAS RAMIFICADAS

SISTEMA DE TUBERÍAS EN MALLAS

Se habla de redes de tuberías cuando el fluido se lleva de un punto hacia diversos puntos a través de varios caminos. Este tipo de configuración es común en sistemas de acueductos, en donde se forman ramificaciones complicadas formando mallas. Esta configuración posee la virtud de permitir realizar reparaciones a algún sector del sistema sin tener que interrumpir el suministro.

IMAGEN 22.SISTEMAS DE TUBERÍAS EN MALLAS

IMAGEN 23.SISTEMAS DE TUBERÍAS EN MALLAS

El cálculo de sistemas de tuberías de este tipo es laborioso y se hace por el método de aproximaciones sucesivas de Hardy Cross. En un sistema de este tipo se cumplen las siguientes leyes:

Ley de pérdida de carga. En cada tubería se cumple:

ECUACIÓN 34. PRINCIPIO PARA LA PERDIDA DE CARGA EN MALLAS

En donde el valor de R se puede calcular por cualquiera de los métodos, sin embargo por la complejidad del cálculo para tuberías de agua a temperaturas normales se suele usar aquí el método de Hazen-Williams. De esta forma se tiene un valor de R que no depende del número de Reynolds, por o cual este se puede mantener constante para todo el cálculo. En general en la solución de problemas de mallas se suelen despreciar las pérdidas secundarias en los nodos del mismo, pero se toma en cuenta el resto de las pérdidas secundarias.

Ley de nodos. El caudal que sale de un nodo debe ser igual a la suma de los caudales que salen de un nodo.

ECUACIÓN 35. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD EN MALLAS

Ley de las mallas. La suma algebraica de las perdidas de carga en una malla debe ser cero.

ECUACIÓN 36. PRINCIPIO EN LAS PERDIDAS DE CARGA EN MALLAS.

GENERALIDADES

El Método de Aproximaciones Sucesivas, de Hardy Cross, está basado en el cumplimiento de dos principios o leyes:

Ley de continuidad de masa en los nudos;

Ley de conservación de la energía en los circuitos.

El planteamiento de esta última ley implica el uso de una ecuación de pérdida de carga o de "pérdida" de energía, bien sea la ecuación de Hazen & Williams o, bien, la ecuación de Darcy & Weisbach. La ecuación de Hazen & Williams, de naturaleza empírica, limitada a tuberías de diámetro mayor de 2", ha sido, por muchos años, empleada para calcular las pérdidas de carga en los tramos de tuberías, en la aplicación del Método de Cross. Ello obedece a que supone un

valor constante par el coeficiente de rugosidad, C, de la superficie interna de la tubería, lo cual hace más simple el cálculo de las "pérdidas" de energía.

La ecuación de Darcy & Weisbach, de naturaleza racional y de uso universal, casi nunca se ha empleado acoplada al método de Hardy Cross, porque involucra el coeficiente de fricción, f, el cual es función de la rugosidad, k, de la superficie interna del conducto, y el número de Reynolds, R, de flujo, el que, a su vez depende de la temperatura y viscosidad del agua, y del caudal del flujo en las tuberías.

Como quiera que el Método de Hardy Cross es un método iterativo que parte de la suposición de los caudales iniciales en los tramos, satisfaciendo la Ley de Continuidad de Masa en los nudos, los cuales corrige sucesivamente con un valor particular, D Q, en cada iteración se deben calcular los caudales actuales o corregidos en los tramos de la red. Ello implica el cálculo de los valores de R y f de todos y cada uno de los tramos de tuberías de la red, lo cual sería inacabable y agotador si hubiese que "hacerlo a uña" con una calculadora sencilla. Más aún, sabiendo que el cálculo del coeficiente de fricción, f, es también iterativo, por aproximaciones sucesiva.

MÉTODO DE HARDY CROSSA continuación se hace un resumen de los pasos a seguir en el método de Hardy Cross:

Numerar los circuitos de la malla

Sobre un croquis de la red se hace una distribución razonable de caudales, verificando que se cumpla la ecuación de continuidad en los nodos y dibujando con flechas los sentidos estimados.

Se escribe para cada tubería la ley de perdida de carga, para la tubería uno por ejemplo será:

ECUACIÓN 37. PRINCIPIO EN LAS PERDIDAS DE CARGA EN MALLAS

Donde:

h’L1: paridad de carga en tubería 1, primera aproximación

R1: coeficiente de resistencia, que será constante en todo el cálculo

Q’1: caudal en tubería 1, primera aproximación.

Se escribe la suma de las pérdidas de carga en cada malla de la forma:

ECUACIÓN 38. SUMATORIA DE LAS PERDIDAS DE CARGA EN CADA UNO DE LOS CIRCUITOS .

Se escoge un sentido como positivo y las pérdidas correspondientes a los caudales cuyo sentido coincide serán positivas y las correspondientes a los caudales que circulan en sentido contrario serán negativas. Normalmente en esta primera aproximación la ley de mallas no se cumple.

Se corrige el caudal en las tuberías en un ΔQ, igual para todas, para conseguir que se cumpla la ley de mallas. Así por ejemplo para la primera tubería:

Así por ejemplo para la primera tubería:

ECUACIÓN 39. FORMULA DE CAUDAL PARA LA TUBERÍA N° 1 .

Donde Q'' 1 es el caudal para la tubería 1, segunda aproximación. Por lo tanto para cada tubería se tendrá:

ECUACIÓN 40. PERDIDA DE CARGA PARA CADA TUBERÍA .

Despreciando el término ΔQ^2 la ley de mallas nos da:

ECUACIÓN 41. SUMATORIA DE LAS PERDIDAS DE CARGA DESPRECIANDO EL CAUDAL AL CUADRADO .

Sacando factor común ΔQ por ser igual en todas las tuberías tendremos:

ECUACIÓN 42. FORMULA PARA CALCULAR LA CORRECIÓN DE CAUDALES EN LA MALLA .

Si ΔQ resulta positivo en este cálculo, éste se le deberá sumar a Q’ para obtener Q’’ en cada tubería

Como en la segunda aproximación las tuberías pertenecen a la vez a anillos distintos en esta segunda aproximación reciben dos correcciones independientes, por lo cual es probable que en este caso tampoco se verifique la ley de mallas. Se tendrá entonces que realizar otras Iteraciones, hasta lograr que se cumpla la ley de mallas con la precisión requerida.

El nombre de sifón se daba a los dispositivos que permitían al agua de

un canal o acueducto, pasar por debajo de un camino o por una vaguada para retomar su

nivel al otro lado y continuar su curso. Físicamente se basa en los vasos comunicantes. El

sifón ya era conocido por los romanos que lo utilizaban en susacueductos.1

Más adelante se inventó una variante invertida que permite a un líquido, al revés que el

anterior, pasar por un obstáculo situado a mayor altura que la superficie del mismo. Por

analogía de uso con el primitivo, tomó también el nombre de sifón. El más elemental está

formado por un tubo, en forma de "U" invertida, de ramas desiguales, con uno de sus

extremos sumergido en el líquido, que asciende por el tubo a mayor altura que su

superficie, desaguando por el otro extremo. Para que funcione, el orificio de salida debe

estar por debajo de la superficie libre (el sifón, en la figura, funcionará mientras h2 sea

mayor que h1) pues funciona por diferencia de presiones, entre la superficie del líquido en

la cubeta o recipiente y el punto de salida del ramal exterior, y debe estar lleno de líquido

(cebado) ya que esa continuidad permite que la presión del líquido en el ramal de entrada

cree la diferencia de presiones que eleva el fluido en hacia el otro ramal.

El flujo no se interrumpe cuando el extremo sumergido quede fuera del agua; de hecho no

es necesario que exista un recipiente inferior. El sifón funcionará mientras el orificio de

salida esté más bajo que el nivel del líquido en el recipiente superior.

Aplicaciones[editar]

Tanto el sifón normal como el invertido han tenido múltiples aplicaciones a lo largo de la

historia.

Para atravesar depresiones en el terreno[editar]

Sifón de un canal bajo un camino

En esta aplicación se utiliza la variante más antigua del sifón. Si un canal se encuentra a

su paso con un obstáculo que va a una cota más baja que la del canal, y no se puede

interrumpir, como otro canal, una carretera, etc., a menudo es más conveniente interrumpir

el canal con un tubo en forma de "U", salvando el obstáculo por la parte inferior y

retomando luego la cota del canal cuando el terreno vuelve a tener una cota adecuada.

Puede ocurrir con cualquier otro tipo de obstáculo

En este caso el funcionamiento hidráulico se basa simplemente en el "principio de los

vasos comunicantes". El problema más importante es que en la parte inferior del sifón

puede haber una presión hidráulica elevada, lo que requiere tuberías reforzadas, capaces

de resistirla. En tiempo de los romanos, principalmente, a menudo era más barato hacer el

puente o arquería. Y todavía, a veces, es una opción que no habría que descartar.

En instalaciones hidráulicas en edificios[editar]

Sifón en un desagüe.

Actualmente, una aplicación común de los sifones es en los desagües de los aparatos

sanitarios (fregaderos, lavabos, inodoros, etc.), para evitar que el mal olor de las materias

en putrefacción del alcantarillado salga por el orificio de desagüe de los aparatos. El

modelo más clásico (y el que mejor funciona hidráulicamente) consiste en un tubo en

forma de "S" tumbada, de manera que, al desaguar el aparato, el agua llena las dos ramas

del tubo, hasta el nivel de desagüe de la segunda, manteniendo un tapón de agua limpia

que cierra la entrada de olores.2

Sifón de inodoro.

En los inodoros, para conseguir un vaciado completo del agua sucia del sifón, se descarga

la cisterna en el cubeto, el agua llena la primera curva del tubo y la segunda actúa como

un sifón invertido, aspirando el contenido del cubeto hasta que el nivel de agua baja y

entra algo de aire. En este momento, el sifón deja de funcionar y retrocede el agua que

está en la parte ascendente entre las dos eses, llenando en parte la primera curva del tubo

y aislando el desagüe de los gases de la cañería. Posteriormente, el mecanismo de

descarga debe dejar salir un poco de agua, de modo que el sifón se llene hasta el nivel de

desagüe de la segunda rama, como en el caso anterior.

También se pueden llevar los desagües del resto de los aparatos del baño a un sifón

común, llamado "bote sifónico" (que no se usa nunca en un inodoro).

Vaciado por sifonamiento del exceso de agua en un canal o embalse.

En aparatos electrodomésticos[editar]

La toma de lejía y suavizante de las lavadoras suele ser un sifón invertido. El suavizante

está en su cubeta y no alcanza la parte superior del sifón, pero cuando se abre la válvula

de entrada de agua, el nivel sube, comenzando el sifonamiento, que no se interrumpe

hasta haber vaciado el depósito de suavizante.

Como descargador de seguridad en canales[editar]

Aprovechando las características hidráulicas de los sifones invertidos, estos son más

eficientes que los vertederos libres para descargar el agua que, por alguna maniobra

equivocada aguas arriba, podría desbordarse de un canal provocando daños a las

estructuras, por ejemplo, de canales de riego.

Cuando el nivel del agua rebasa el máximo admisible (ver figura), se llena el sifón, que

empieza a descargar hasta que el nivel desciende hasta el considerado como normal, en

cuyo momento entra aire en el conducto del sifón y se desceba.

Sifón de agua de seltz o soda.

Para alimentar surcos de riego[editar]

Es un sistema bastante utilizado puesto que un sifón invertido permite retirar el agua desde

el canal terciario de riego sin dañar el canal mismo, que generalmente es de tierra.

Generalmente estos sifones son de polipropileno (PP) flexible, de un diámetro de entre 50

y 80 mm (2" y 3").

Agua carbonatada[editar]

Artículo principal: Agua carbonatada

Por similitud de un líquido que asciende por un tubo, se llama sifón a un recipiente

hermético que contiene agua carbonatada, también llamada Agua de Seltz, soda,gaseosa,

etc. En España se llamaba sifón al agua carbonatada cuando se servía desde este

envase. El envase está a presión, mantenida por el equilibrio entre el CO2disuelto en el

agua y el gas libre en la parte superior. Habitualmente se le colocaba una funda metálica

como protección frente a una posible explosión, ya que es un recipiente a presión. El sifón

va provisto de una válvula para su apertura, que comunica un tubo vertical que desciende

hasta el fondo con la salida exterior. Actualmente en algunos lugares ha caído en desuso,

siendo sustituido por botellitas de soda. En otros países como Argentina y Uruguay siguen

siendo muy usados, se fabrican actualmente de sustancias plásticas (más seguras frente a

un posible reventón) y en su mayoría son repartidos a domicilio por los soderos o

sifoneros.