Conductos y tuberías Los diámetros reales internos y externos de

conductos y tubos estándar disponibles comercialmente, puede ser bastantes diferentes del tamaño nominal dado.

Conductos de acero Las líneas de conductos para propósitos

generales a menudo, están construidas de acero. Los tamaños estándar de los conductos de acero están diseñados de acuerdo con el tamaño nominal y el número de calibre. El intervalo e calibre va de 10 a 160.

La serie más completa de conductos de acero disponibles son los calibres 40 y 80.

Tubos de aceroLos tubos estándar de acero se utilizan en sistemas

hidráulicos, condensadores, intercambiadores e calor, sistemas de combustible de motores y en sistemas industriales de procesamiento de fluidos. Los tamaños están diseñados según el diámetro externo y el grueso de las paredes.

Tubos de cobreLas líneas de plomería domestica, refrigeración y

de aire comprimido, con frecuencia utilizan tuberías de cobre manufacturas como del tipo K o del Tipo L. El L es adecuado para tuberías domesticas de propósito general.

El tamaño nominal de los tubos de cobre es de 1/8 de pulgadas, menos del diámetro exterior real del tubo.

Conductos de hierro dúctil.A menudo, las líneas de conducto de agua, gas y drenaje se

hacen con hierro dúctil debido a su resistencia, ductibilidad y relatividad facilidad de manejo. Ha sustituido al hierro forjado en muchas aplicaciones. Junto con los tubos, se proporcionan conectores estándar para la instalación adecuada de la tubería, ya sea subterránea o no. Varias clases de conductores de hierro dúctil están disponibles para su uso en sistemas que manejan un intervalo de presiones. Clase 150, operar a 150 lb/pulg2 (1.03MPa) en tamaños nominales q van de 3 a 24 pulgadas.

Otros tipos de conductos y tuberías.Los conductos de latón se utilizan con fluidos corrosivos, al

igual que el acero inoxidable. Otros materiales utilizados son el aluminio, el plomo, el estaño, arcilla vitrificada, concreto y muchos tipos de plástico, como el polietileno, el nailon y el cloruro de poli vinil (PVC).

Flujo en secciones no circulares.

La ecuación de continuidad se aplica igualmente al flujo en secciones transversales no circulares, del mismo modo que en conductos y tubos circulares. En la fórmula para la rapidez de flujo, Q=Av, es el área de flujo neta y v es la velocidad promedio del flujo cuando lleva la rapidez de flujo de volumen Q.

SISTEMAS DE LINEA DE TUBERIA La mayoría de los sistemas de flujo de tubería

involucran grandes pérdidas de energía de fricción y pérdidas menores

Si el sistema es arreglado de tal forma que el fluido fluye a través de una línea continua sin ramificaciones, éste se conoce con el nombre de Sistema en serie.

SISTEMAS EN SERIE

gv

zp

hhgv

zp

LA 22

22

22

21

11

Utilizando la superficie de cada depósito como punto de referencia tenemos:

B

Válvula

FlujoLínea de

succión

1

2

654321 hhhhhhhL

Utilizando la superficie de cada depósito como punto de referencia tenemos :

Los términos hA y hL indican la energía agregada al fluido y la energía perdida del sistema en cualquier lugar entre los puntos de referencia 1 y 2

hA es la energía agregada por la bombaLa energía se pierde debido a diferentes

condiciones:

B

Válvula

FlujoLínea de

succión

1

2

hh1 1 = pérdida en la entrada= pérdida en la entrada

hh2 2 = pérdida por fricción en la línea de succión= pérdida por fricción en la línea de succión

hh3 3 = pérdida de energía en la válvula= pérdida de energía en la válvula

Línea de descarga

gvKh s 22

1

gvDLfh sS 222

gvDLfh dedT 223

B

Válvula

FlujoLínea de

succión

1

2

hh4 4 = pérdida de energía en los dos codos a 90= pérdida de energía en los dos codos a 90°°

hh5 5 = pérdida por fricción en la línea de descarga= pérdida por fricción en la línea de descarga

hh6 6 = pérdida a la salida= pérdida a la salida

Línea de descarga

gvDLfh dedT 22 24

gvDLfh dd 225

gvKh d 22

6

En el diseño de un sistema de flujo de tubería existen seis parámetros básicos involucrados.

Las pérdidas de energía del sistema o la adicción

de energía al sistema. La velocidad de flujo de volumen del fluido o la

velocidad del fluido. El tamaño de la tubería. La longitud de la tubería.La rugosidad de la pared de la tubería ε Las propiedades del fluido como peso específico,

densidad y viscosidad

Tipos de Sistemas de línea de tuberías CLASE I: se determinan las perdidas o adiciones de energía.

CLASE II: se determina la velocidad del flujo de volumen.

CLASE III: se determina el diámetro de tubería.

SISTEMAS CLASE IEl análisis de este sistema se toma la pérdida

de energía hᴸ es la suma de las pérdidas industriales primarias y secundarias.

Para determinar las pérdidas por fricción de la línea de succión y en la línea de descarga y las pérdidas menores en la línea de descarga. Se necesita el número de Reynolds, la rugosidad relativa, el factor de fricción de cada tubería y el factor de fricción en la zona de completa turbulencia para la línea de descarga que contiene un herraje de válvula y tubería

Rugosidad de conducto: Valores de diseñoMaterial Rugosidad, ε (m) Rugosidad,

ε (pie)

Cobre, latón, plomo (tubería) 1.5 x 10-6 5 x 10-6

Hierro fundido: sin revestir 2.4 x 10-4 8 x 10-4

Hierro fundido: revestido de asfalto 1.2 x 10-4 4 x 10-4

Acero comercial o acero soldado 4.6 x 10-5 1.5 x 10-4

Hierro forjado 4.6 x 10-5 1.5 x 10-4

Acero remachado 1.8 x 10-3 6 x 10-3

Concreto 1.2 x 10-3 4 x 10-3

FACTOR DE FRICCION EN ZONA DE TURBULENCIA COMPLETA PARA CONDUCTOS DE ACERO COMERCIAL NUEVO Y LIMPIO

TAMAÑO DE CONDUCTO NOMINAL

fT

½ 0.027

¾ 0.025

1 0.023

1 ¼ 0.022

1 ½ 0.021

2 0.019

2 ½ , 3 0.018

4 0.017

5 0.016

6 0.015

8 – 10 0.014

12 – 16 0.013

18 – 24 0.012

SISTEMA CLASE IISe debe conocer la velocidad de flujo de volumen

en el sistema. Al haber tantas incógnitas no se puede aplicar la solución de la clase I, la velocidad del flujo de volumen se desconoce la velocidad de flujo también se desconoce. Se deduce que el número de Reynolds se desconoce. Si no se puede encontrar el número de Reynolds, entonces el factor de “f” no puede determinarse directamente. Puesto que las pérdidas de energía debido a la fricción dependen tanto de la velocidad como del factor de fricción el valor de esta pérdida no puede calcularse en forma directa.

SISTEMA CLASE IIILos sistemas que entran en la Clase III presentan

verdaderos problemas de diseño. Los requerimientos del sistema se especifican en términos de una caída de presión permitida o pérdida de energía, una velocidad de flujo de volumen deseado, las propiedades del flujo y el tipo de tubería que se utilizara. Después, se determinara el tamaño de la tubería adecuado que cumpla con estos requerimientos.

Se requiere de iteración para resolver problemas de diseño del sistema Clase III debido a que no existen tantas incógnitas para permitir una solución directa. El procedimiento de diseño de sistemas Clase III es diferente dependiendo la complejidad del sistema. En el caso más simple, solamente se debe considerar la pérdida de fricción en la tubería

Sistemas de tuberías en paralelo

Sistemas con dos ramalesUn sistema de tuberías en paralelo está

formado por un conjunto de tuberías que nacen y confluyen en un mismo punto.

Para un sistema genérico de n tuberías en paralelo se verifica que:

El caudal total es la suma de los caudales individuales de cada una de las tuberías (ecuación de continuidad)

Formula de ramales

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.

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.

Se trata de una conducción que en un punto concreto se divide en dos o más ramales que después vuelven a unirse en otro punto aguas abajo, como se muestra en la figura 3.47. Se cumplen las siguientes leyes:

Q = Q1 + Q2 + Q3 + ...hr = hr 1 = hr 2 = hr 3 = ...Planteemos las siguientes cuestiones:a) Conocidos hr, Li, Di, Ki, υ, determinar el caudal

Q.Es un problema simple de cálculo de tuberías

(epígrafe 2.4, caso II). Se determina el caudal en cada tramo (Q1, Q2, Q3, ...) y luego se suman.

Diseño de TuberíasEl diseño de un sistema de tuberías consiste en

el diseño de sus tuberías, brida y su tortillería, empacadoras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansión. También incluye el diseño de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes, pero no incluye el de estructuras para fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o pórticos de acero.

Procedimiento de diseño de tuberías

La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tuberías:

- Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de varias cargas.

- Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido.

- Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión, fragilización y resistencia.

- Selección de las clases de "rating" de bridas y válvulas.

Cálculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido.

Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de tuberías.

Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear.

Normas de diseñoLas normas más utilizadas en el análisis de

sistemas de tuberías son las normas conjuntas del American Estándar Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME B31.1, B31.3, etc. Cada uno de estos códigos recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyectos e ingenieros de campo en áreas de aplicación específicas.

B31.1. (1989) Power Piping B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum

Refinery Piping B31.4 (1989) Liquid Transportation System for

Hydrocarbons, Petroleum Gas, Andhydroys Anmonia and Alcohols

B31.5 (1987) Refrigeration Piping B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution

Piping System B31.9 (1988) Building Services Piping B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping

System