Fluidos

INTRODUCCIÓN

La característica fundamental de los fluidos es la denominada fluidez. Un fluido cambia de forma de manera continua cuando está sometido a un esfuerzo cortante, por muy pequeño que sea éste, es decir, un fluido no es capaz de soportar un esfuerzo cortante sin moverse durante ningún intervalo de tiempo. Unos líquidos se moverán más lentamente que otros, pero ante un esfuerzo cortante se moverán siempre. La medida de la facilidad con que se mueve vendrá dada por la viscosidad que se trata más adelante, relacionada con la acción de fuerzas de rozamiento.

Es fundamental conocer la diferencia entre flujos turbulentos y laminares, puesto que a medida que un fluido pasa por un conducto u otro dispositivo se produce pérdidas de energía debido a la fricción; generadas por el rozamiento del fluido con el material que lo transporta, trayendo como consecuencia la disminución de presión entre los puntos del sistema del flujo.

En la mayoría de las actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Como ejemplos tenemos la distribución de agua en las viviendas, el flujo de gasolina y aceite en los automóviles, en los sistemas hidráulicos de maquinarias y otros fluidos, que las industrias requieren para su correcto funcionamiento.

El transporte de estos fluidos puede variar de acuerdo a los requerimientos, se tienen varios tipos de redes de distribución, entre los más comunes:

Tuberías en serie.

Tuberías en paralelo.

Tuberías ramificadas.

Redes de tuberías.

OBJETIVOS

Determinar el caudal del sistema de tuberías en paralelo usando el programa aprendido en clase “Matlab”, teniendo en cuenta solo dos tuberías del sistema total.

Conocer el aspecto teórico sobre la solución de sistema de redes de tuberías, facilitándonos el desarrollo de ciertos tipos de problemas.

Determinar experimentalmente mediante las ecuaciones de pérdida de carga de cada uno de los tramos escogidos.

MARCO TEORICO

Una tubería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería materiales que, si bien no son un fluido, se adecuan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.

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. Como en el ejemplo de la figura 1.

En este caso se cumplen las leyes siguientes:

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

Q=Q_1=Q_2=Q_I

Las pérdidas de carga de cada una de las secciones se suman:

h_L=h_1+h_2+⋯+h_i

Figura 1. Sistema de tuberías en Serie.

Existen distintas maneras de 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 requerida para manejar un caudal dado en una tubería dada. Estos tres tipos de problemas se representan en la tabla siguiente:

CATEGORÍA DATOS INCOGNITA

Clase I

Diámetro de la tubería, tipos de pérdidas menores, flujo Volumétrico

Calcular la Presión.

Clase II Elevaciones, tamaño de tuberías, válvulas y acoplamientos, la caída de presión permisible Se desea conocer el flujo volumétrico.

Clase III Se conoce el arreglo general del sistema. Se desea calcular el diámetro de la tubería.

Los problemas de categoría 1 son directos y se aplican en el cálculo de la potencia de una bomba, los problemas de categoría 2 y 3 en cambio requieren de un proceso iterativo cuando se utiliza el diagrama de Moody.

Tuberías en Paralelo

Los sistemas de tuberías en paralelo son aquellos en los que hay más de una trayectoria que el fluido puede recorrer para llegar de un punto de origen a otro de destino, es decir se establecen varios caminos para llevar el fluido de un punto a otro. Como en el ejemplo de la figura:

Figura 2. Sistema de tuberías en paralelo

En este caso se cumplen las leyes siguientes:

El principio de continuidad para el flujo estable requiere que el flujo volumétrico que ingresa al sistema ramificado sea el mismo que sale de éste.

Q_e=Q_s

La continuidad requiere que la suma de los flujos en todas las ramas debe ser igual al flujo volumétrico total del sistema.

Q_T=Q_1+Q_2+Q_3+⋯+Q_I

Cada unidad de peso de fluido que ingresa a un sistema en paralelo experimenta la misma pérdida de energía, sin importar la trayectoria que siga a través del sistema.

h_L=h_L1=h_L2=⋯=h_Li

El fluido tenderá a seguir la trayectoria de menor resistencia; por tanto, el flujo que entra se bifurca entre todas las ramas, con mayor flujo en aquellas que tienen menos resistencia.

Pueden aparecer dos tipos de problemas en tuberías en paralelo:

Se conoce la perdida de carga entre los puntos A y B, y se requiere calcular los caudales para cada rama y el caudal total. En este caso con la perdida de carga conocida se calculan los caudales de cada rama con cada ecuación independientemente y el caudal total será la suma de los caudales parciales.

Se conoce el caudal total y se requiere conocer los caudales parciales

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