Redes de tuberías y pérdidas de presión

Las redes de tuberías se encuentran comúnmente en sistemas naturales y de ingeniería, ya que pueden transportar, circular y distribuir fluidos de manera eficiente. El agua que sale del grifo de su casa viaja a través de un complejo sistema de suministro de agua de la ciudad, que es un excelente ejemplo de una red de tuberías de ingeniería. A medida que el fluido circula a través de una red de tuberías, encuentra resistencia a la fricción de las paredes del canal y los accesorios y la corriente de fluido pierde presión a medida que supera estas resistencias de flujo. Caracterizar y comprender estas pérdidas de presión es necesario para especificar los componentes y tamaños correctos en un nuevo diseño o para diagnosticar problemas en un sistema existente. En este video, ilustraremos un enfoque simple para medir la caída de presión dentro de una red de tuberías y discutiremos algunos modelos estándar para predecir pérdidas y algunas geometrías comunes. Posteriormente, estos métodos se emplearán para medir experimentalmente las pérdidas de presión para compararlas con los modelos. Finalmente, discutiremos algunas otras aplicaciones de las redes de tuberías y las pérdidas de presión.

Cada vez que un fluido fluye a través de un canal cerrado, encuentra cierta resistencia a la fricción de las paredes del canal. Como consecuencia, una fracción de la energía mecánica del fluido se convierte en calor, lo que resulta en una pérdida continua de presión en la dirección del flujo. Esta pérdida de presión se puede caracterizar en un sistema dado midiendo la presión del fluido en puntos discretos a lo largo del canal, lo que a menudo se realiza utilizando dispositivos simples de nivel de líquido llamados manómetros. Un manómetro es una sección abierta vertical o inclinada de un tubo conectado al canal de tuberías para que se llene parcialmente de líquido. La altura de la columna de líquido es directamente proporcional al nivel de fluido en ese punto a lo largo del canal. Por lo tanto, la diferencia de presión entre dos puntos o Delta P se puede determinar a partir del cambio en la altura del líquido o Delta H entre dos manómetros. Desafortunadamente, no siempre es práctico realizar mediciones directas y, a menudo, las pérdidas de presión deben predecirse antes de que se construya un sistema para garantizar caudales de fluido adecuados. En estas situaciones, la fórmula del factor de fricción de Darcy se puede utilizar para predecir la pérdida de presión por fricción. En esta ecuación, Delta P es la pérdida de presión en una longitud L para un canal con una sección transversal circular y un diámetro interno D, row es la densidad del fluido y U es la velocidad promedio del flujo, definida como el caudal volumétrico dividido por el área de la sección transversal del canal, f es el factor de fricción de Darcy que sigue diferentes tendencias derivadas empírica y teóricamente basadas en el número de Reynolds y la geometría del canal. Consulte el texto para conocer los modelos utilizados para canales circulares rectos y bobinas helicoidales. Las distintas secciones de canales de una red de tuberías están conectadas por accesorios discretos, como válvulas, expansores y codos, que también contribuyen a la pérdida de presión. Las pérdidas de presión a través de estos accesorios se conocen como pérdidas menores y, a veces, se informan en términos de la longitud equivalente de un canal recto requerido para producir la misma caída de presión. Estas pérdidas todavía se modelan con la fórmula del factor de fricción de Darcy que utiliza el factor de fricción y la velocidad de flujo de los canales de conexión y el valor tabulado de la longitud equivalente escalado por el diámetro interior del accesorio. Las pérdidas totales en el sistema de tuberías son simplemente la suma de todas las pérdidas de secciones y accesorios individuales. En la siguiente sección, mediremos estas pérdidas en diferentes configuraciones de tubería representativas para determinar los factores de fricción y las longitudes equivalentes.

Antes de comenzar a configurar, asegúrese de tener un área despejada para trabajar y una superficie plana sobre la cual ensamblar los componentes. Fije el depósito de agua a la superficie y, si es necesario, perfore orificios para la entrada y salida de agua, así como para el cable de alimentación de la bomba. Monte la bomba sumergible en el depósito. Ahora fije una pequeña viga vertical o un soporte en L cerca del depósito. Monte el medidor de flujo del rotámetro verticalmente en la viga y use una sección de tubo para conectar la salida de la bomba a la entrada del rotámetro. El rotámetro es un instrumento que indica el caudal volumétrico de un fluido en función del nivel de flotación de una pequeña gota. Construya las secciones de prueba de tres tubos como se describe en el texto. Cuando hayas terminado, debes tener una sección recta, una sección en espiral y una sección con múltiples curvas de codo. Registre cuidadosamente las longitudes de las secciones rectas, así como el radio de la bobina del tubo medido desde el eje central de la bobina hasta el punto medio del tubo. Monte las tres secciones en la superficie con abrazaderas para tubos. Ajuste los accesorios en T en los extremos para que los puertos laterales ramificados apunten hacia arriba y luego instale tubos estriados transparentes en estos puertos para formar los manómetros. Utilice un nivel para asegurarse de que los tubos del manómetro estén verticales. Finalmente, conecte una sección del tubo a la salida del rotámetro y coloque un segundo tubo que regrese al depósito. Estos dos tubos se conectarán a las entradas y salidas de las secciones de prueba para formar un bucle completo durante el experimento. Llene el depósito con agua y la preparación estará completa.

Conecte el tubo de la salida del rotámetro a un extremo de la sección de prueba recta y conecte el tubo de retorno al otro extremo. Ahora encienda la bomba y ajuste la válvula del rotámetro para maximizar el caudal. Una vez que todo el aire haya sido expulsado del circuito de la tubería, apague la bomba. Es posible que deba agregar agua adicional al depósito una vez que se llene el circuito de flujo. Una vez que todo el aire haya sido expulsado del circuito de la tubería, apague la bomba y compare la altura del agua en los dos manómetros, midiendo desde la parte superior del accesorio en T. Si las dos alturas son diferentes, use cuñas para nivelar la superficie de prueba hasta que las alturas medidas sean las mismas. Vuelva a encender la bomba y, después de esperar un momento a que el caudal se estabilice, registre el caudal y el nivel vertical del agua en ambos tubos del manómetro. Ahora ajuste la válvula del rotámetro para restringir ligeramente el flujo y registrar el nuevo caudal y los niveles del manómetro. Repita este procedimiento para recopilar datos a seis o siete caudales para la sección de prueba recta. Cuando termine, repita el experimento con las otras dos secciones de prueba, incluyendo un reajuste de la superficie de prueba para cada nueva sección si es necesario.

En primer lugar, mire los datos de la sección de prueba directa. En cada caudal, tiene medidas para la altura del agua en cada manómetro. Utilice la diferencia en las alturas del manómetro para determinar la caída de presión total en la sección de prueba. A continuación, determine la velocidad media del caudal en el tubo dividiendo el caudal medido desde el rotámetro por el área de la sección transversal del tubo. A continuación, calcule el número de Reynolds para el flujo a este caudal. Combine sus resultados con la fórmula del factor de fricción de Darcy y sus mediciones de la sección de prueba para resolver el factor de fricción. Para una sección recta de 284 milímetros de longitud y 6,4 milímetros de diámetro interior, los caudales medidos de tres cuartos a dos litros por minuto corresponden a condiciones turbulentas. Propague las incertidumbres para determinar la incertidumbre total en el número de Reynolds y el factor de fricción como se describe en el texto y, a continuación, trace el resultado junto con la predicción del modelo para una sección recta. Dentro de la incertidumbre experimental, los factores de fricción coincidieron con la predicción del modelo. La incertidumbre relativamente alta en el factor de fricción a caudales bajos se debe a la precisión limitada del medidor de flujo. Ahora mire sus datos para la sección de prueba en espiral. Como antes, determine la caída de presión total, la velocidad promedio del flujo y el número de Reynolds en cada caudal. La caída de presión total en esta sección es la suma de la caída de la parte recta y la parte enrollada, así que use la fórmula del factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto para estimar la contribución de la sección recta y restar esto del total. Utilice la caída de presión restante y su medición del radio de la bobina para determinar el factor de fricción en la parte enrollada. Propague las incertidumbres para el número de Reynolds y el factor de fricción una vez más, asumiendo una incertidumbre insignificante de la corrección para la sección recta. Represente estos resultados junto con la predicción del modelo para una sección en espiral. El número de Reynolds está entre 1.700 y 5.200, que corresponde a los números de Dean entre 500 y 1.600 con el diámetro del tubo y el radio de la bobina dados. Estos valores se encuentran dentro de la parte laminar de la fórmula del factor de fricción de la bobina. Estos factores de fricción medidos también coinciden con el modelo dentro de la incertidumbre experimental y para un caudal dado son significativamente más altos que los encontrados en la sección recta. Esto aumenta debido al efecto estabilizador de la geometría del tubo en espiral que retrasa la transición al flujo turbulento a números de Reynolds más altos, alrededor de 9.900 para esta geometría. Ahora eche un vistazo a los datos de la tercera sección de prueba. Una vez más, determine la caída de presión total, la velocidad promedio del flujo y el número de Reynolds en cada caudal. La caída de presión total en esta sección se debe a la suma de las secciones rectas y las pérdidas menores de cada uno de los codos N. Usa la fórmula del factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto nuevamente para estimar y restar la contribución de las secciones rectas. La caída de presión restante se debe a los accesorios de codo N en la sección de prueba. Utilice esta caída de presión con el factor de fricción y el diámetro de las secciones rectas para calcular la longitud equivalente para un accesorio de codo individual. Propague las incertidumbres para el número de Reynolds y la longitud equivalente y represente los resultados. A medida que aumenta el número de Reynolds, la relación entre la longitud equivalente y el diámetro interno de la tubería se aproxima a 30 como se esperaba de los valores tabulados. Tenga en cuenta que la resistencia a la fricción real es específica de la geometría del ajuste, por lo que estos valores tabulados solo deben considerarse como guías.

Ahora que está más familiarizado con las redes de tuberías y las pérdidas de presión, veamos algunas aplicaciones reales de estos conceptos. Los intercambiadores de calor suelen consistir en dos redes de tuberías separadas que ponen el fluido caliente y el frío en estrecho contacto térmico sin permitir que se mezclen. Se debe realizar un análisis de caída de presión al diseñar intercambiadores de calor para garantizar que las bombas puedan proporcionar caudales de fluido suficientes y lograr la tasa deseada de transferencia de calor. La acumulación de placa en las arterias reduce el diámetro efectivo para que la sangre fluya. Como resultado, el corazón tiene que trabajar más para compensar la pérdida de presión adicional. En casos extremos, la acumulación aumenta el riesgo de una obstrucción total de la arteria o insuficiencia cardíaca. Durante un procedimiento de angioplastia, se inserta un stent para volver a expandir la arteria y restaurar el flujo sanguíneo normal.

Acabas de ver la introducción de Jove a las redes de tuberías y las pérdidas de presión. Ahora debe comprender cómo determinar las pérdidas de presión en una red de tuberías utilizando la fórmula del factor de fricción de Darcy, incluidas las pérdidas menores de los accesorios discretos. Por último, has visto cómo determinar experimentalmente la pérdida de presión a través de un canal utilizando tubos de manómetro. Gracias por mirar.