Sistema de tuberías dentro de un edificio con tres orificios de salida.
Las redes de tuberías son importante para la sociedad por
eso el hombre ha ido adquiriendo y
mejorando el legado de sus antecesores, perfeccionando sus técnicas, y
acrecentando así cada vez más su demanda por conseguir una mejor calidad de
vida. Fue así, como surgieron los tubos, quienes, organizados en sistemas,
perduran en el tiempo como el medio de transporte de fluidos.
En nuestro trabajo nos hemos propuesto adquirir
conocimientos descriptivos de los sistemas de tuberías, así como también, de
los accesorios que lo conforman.
Estos sistemas de tuberías de casas por lo general varían
de acuerdo al diseño que se requiera, donde pueden cambiar su ubicación ya sea
las tuberías o cualquier accesorio que esta red lleve.
En nuestro proyecto daremos a conocer el diseño de una casa de tres pisos donde contaremos con accesorios como un depósito inicial de agua donde se succionara el agua mediante una tubería y bomba, lo cual se esparcirá a los diferentes pisos que tiene esta casa en este caso los tres pisos.
·
Establecer la
diferencia de pérdidas que
existe utilizando la
llave de paso regularmente abierta y completamente
abierta.
·
Calcular
las variables que requiera el ejercicio para establecer la diferencia de
pérdidas que existe en una llave de paso regularmente abierta y completamente
abierta.
·
Desarrollar un modelo matemático
aplicando la herramienta de Excel
para calcular de forma exacta todas las variables dadas en el ejercicio.
· Plantear un modelo en 3D para observar lo aplicado al tema de tuberías para estudiar las perdidas, en un edificio de tres pisos.
En la industria los sistemas de tuberías juegan un papel
importante ya que es lo que hace funcionar algunas operaciones unitarias que se
requiere en el proceso, pero también es un clave importante en los hogares ya
que todas las casas deben de tener un sistema de tuberías adecuado al diseño de
esta, de acuerdo a esto se establece las pérdidas que se generaran en el
transcurso de que el fluido empiece a fluir de un lugar a otro, por ello las
personas para que no se de dichas perdidas que estas tendrán por los diferentes
accesorios que estos lleven o los tipos de tuberías con las que fueron
diseñados, tanto en sistemas de tuberías de agua como de algún otro tipo de
fluidos, el fluido pierde energía por el rozamiento continuo con la tubería y
por la fricción que ocurre en el paso
por accesorios o dispositivos, que son vistos
como obstáculos de conducción.
Y es por ello que realizamos este proyecto con el fin de estudiar el comportamiento de las pérdidas de cargas en dos condiciones diferentes, con una llave de paso regularmente abierta y completamente abierta.
4.1. SISTEMA DE ABASTECIMIENTO
Un sistema completo de aprovechamiento de agua incluye una
fuente u origen, que puede ser un embalse, un río o agua subterránea. También
será necesaria una captación, siendo precisas estructuras especiales, para los
embalses y ríos. Si la fuente está situada a mucha distancia de la ciudad, será
necesario una tubería o canal abierto para conducir el agua.
·
El
sistema de distribución: La
distribución del agua a los consumidores se realiza por distintos métodos que dependen de las
condiciones locales o de otras consideraciones.
Estos
métodos son:
1. Distribución
por gravedad. Este sistema es posible cuando la fuente de suministro está situada
en algún punto elevado respecto a la ciudad, de manera que pueda mantenerse una
presión suficiente en las tuberías principales, tanto para los servicios
domésticos como para los de extinción de
incendios. Es el método más aconsejable si la conducción que une la fuente con
la ciudad es de tamaño adecuado y está bien protegida contra roturas
accidentales.
2. Distribución
por medio de bombas, almacenando más o menos cantidad de agua. En general,
cuando se emplea este método, el exceso de agua elevada durante los períodos de
bajo consumo se almacena en depósitos. Durante los períodos de alto consumo el agua
almacenada se utiliza para aumentar la suministrada por las bombas. Este
sistema permite obtener un rendimiento uniforme de las bombas y, por lo tanto,
es económico, ya que se las puede hacer trabajar en condiciones óptimas. Por
otra parte, como el agua almacenada proporciona una reserva que pueda
utilizarse en los casos de averías en las bombas o tuberías, por lo que este
método de operación proporciona una amplia seguridad.
3. Empleo de bombas sin almacenamiento. En este caso, las bombas introducen el agua directamente en las tuberías sin otra salida que la del agua realmente consumida. Es el sistema menos deseable, ya que una avería en la fuente de energía ocasionará una interrupción completa en el suministro del agua. Si las bombas se accionan eléctricamente, su punta de consumo es fácil que coincida con la de la demanda general, lo que incrementa el coste de la energía.
·
Tubería: Se entenderá por tubería la sucesión de elementos
convenientemente unidos, con la intercalación de todas aquellas unidades que
permitan una económica y fácil explotación del sistema, formando un conducto
cerrado convenientemente aislado del exterior que conserva las cualidades
esenciales del agua para el suministro público, impidiendo su pérdida y contaminación.
·
Tubo: Elemento de sección transversal interior uniforme en forma
de sección circular y que, en sentido longitudinal, generalmente es recto.
Dependiendo de su comportamiento bajo carga, se distinguen los tipos siguientes:
Tubo flexible, Tubo rígido, Tubo semirrígido
·
Unión: Dispositivo que permite enlazar de forma estanca dos
elementos consecutivos de la tubería. Se distinguen los sistemas de unión
siguientes: Uniones flexibles, Uniones rígidas.
·
Pieza
especial: Componente que,
intercalado entre los tubos, permite realizar cambios de dirección o de
diámetro, derivaciones, empalmes etc.
·
Válvulas: Elementos que, instalados
entre los tubos, permiten cortar o regular el caudal y la presión.
·
Elemento complementario de la tubería:
Es cualquier estructura, fundamentalmente arquetas, cámaras de válvulas, macizos de
anclaje, etc., que intercalada en la tubería permite y facilita su explotación.
·
Accesorios: Elementos distintos a los tubos, piezas especiales,
válvulas, uniones o elementos complementarios de la red, pero que forman parte
también de la tubería (p.e., tornillos, contra-bridas, collarines de toma,
etc.).
El diámetro de las tuberías se determinará en función del
caudal y velocidad de circulación del agua, tras lo cual se comprobarán las
presiones en los nudos de la red, se evaluarán las pérdidas de carga en el
sistema y se efectuarán las correcciones precisas.
·
Diámetro
exterior (OD): Diámetro exterior
medio de la caña del tubo en una sección cualquiera.
·
Diámetro
interior (ID): Diámetro interior
medio de la caña del tubo en una sección cualquiera.
·
Diámetro
Nominal (DN): Designación numérica
del diámetro de un componente mediante un número entero aproximadamente igual a
la dimensión real en milímetros. Se
puede referir tanto al diámetro interior (DN/ID), como al exterior (DN/OD).
4.4.VELOCIDADES DE CIRCULACIÓN
La determinación de la velocidad de circulación del agua
resulta esencial en el diseño de una red de abastecimiento toda vez que, para
un caudal establecido, depende de la misma la elección del diámetro de la tubería.
Por razones funcionales, la velocidad de circulación del
agua debe quedar limitada entre un valor
máximo y un valor mínimo.
Si la velocidad resulta excesivamente alta se producen elevadas
pérdidas de carga y las sobre presiones derivadas de los posibles golpes de
ariete pueden resultar importantes y provocar roturas en las conducciones. Por
otra parte, evitar la erosión de los materiales de la tubería o del
revestimiento constituye otra de las razones que justifican la limitación de la
velocidad máxima de circulación del agua.
Por el contrario, cuando la velocidad resulta excesivamente
baja, además de la infrautilización de la tubería que ello supone, se facilita
la formación de depósitos de materias en suspensión que pueden provocar
obstrucciones e incrustaciones de carbonatos en las paredes, con lo que se
reduce la sección útil de paso.
En general y con carácter meramente orientativo, se deberá
procurar que la velocidad de circulación del agua dentro de las tuberías
alcance un valor comprendido entre 0,3 y 2,0 m/seg.
Dependiendo del material de los tubos, se adoptarán los
valores del coeficiente de rugosidad
indicados en la tabla siguiente, en los que se incluye una degradación media
por envejecimiento:
4.5. VELOCIDAD
La velocidad
es una magnitud
vectorial y, como
tal, se representa
mediante flechas que indican
la dirección y sentido del movimiento que sigue un cuerpo y cuya longitud representa
el valor numérico
o módulo de
la misma. Depende
del desplazamiento, es decir,
de los puntos
inicial y final
del movimiento, y
no como la rapidez, que depende directamente de la
trayectoria.
La velocidad puede definirse como la cantidad de espacio recorrido por unidad de tiempo con la que un cuerpo se desplaza en una determinada dirección y sentido. Se trata de un vector cuyo módulo, su valor numérico, se puede calcular mediante la expresión:
V = ∆r/ ∆t
·
V: Módulo de la
velocidad del cuerpo.
Su unidad de
medida en el
Sistema Internacional (S.I.) es el metro por segundo (m/s)
·
∆r: Módulo del desplazamiento. Su
unidad de medida
en el Sistema
Internacional (S.I.) es el metro (m)
·
∆t: Tiempo empleado en realizar el movimiento. Su unidad de medida en el
Sistema Internacional (S.I.) es el segundo (s)
La densidad de una sustancia es una propiedad característica de estas que determina la cantidad de masa que posee por unidad de volumen y se expresa de la siguiente forma:
Densidad = m/v
La gravedad o fuerza de
gravedad es un fenómeno de la naturaleza por el cual los cuerpos que poseen
masa se atraen entre sí de manera recíproca, con mayor intensidad conforme más
masivos sean dichos cuerpos. Se trata de una de las cuatro interacciones
fundamentales de la materia, y se la conoce también como “gravitación” o “interacción
gravitatoria”.
En física, la potencia (representada por el símbolo P) es una cantidad determinada de trabajo efectuado de alguna manera en una unidad de tiempo determinada. O sea, es la cantidad de trabajo por unidad de tiempo que algún objeto o sistema produce. La potencia se mide en watts (W), unidad que rinde homenaje al inventor escocés James Watt y equivale a un julio (J) de trabajo realizado por segundo (s), es decir:
W = J/S
En el
sistema anglosajón de
medidas, esta unidad
es reemplazada por
los caballos de fuerza
(hp).La habilidad para
comprender y medir
la potencia con precisión fue un factor determinante en
el desarrollo de los primeros motores a vapor, aparato sobre
el cual se
sostuvo la Revolución
Industrial. En nuestros
días, en cambio, suele
estar asociada a
la electricidad y
a otro tipo
de recursos energéticos modernos, pues también puede
designar la cantidad de energía transmitida.
Se
conoce como caudal, a la cantidad de fluido que circula a través de una sección
de un ducto, ya sea tubería, cañería, oleoducto, río, canal, por unidad de
tiempo. Generalmente, el caudal se identifica con el flujo volumétrico o
volumen que pasa por un área determinada en una unidad de tiempo específica.
4.10.
LA
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Es simplemente una expresión matemática del principio de conservación de la masa. Una ecuación de continuidad general también se puede escribir en forma diferencial.
V = v . a
Este principio se conoce generalmente como el principio de
conservación de la materia y establece que la masa de un objeto o colección de
objetos nunca cambia con el tiempo,
sin importar cómo se
reorganicen las partes
constituyentes. Este
principio puede usarse
en el análisis
de fluidos que
fluyen . La
conservación de la masa en la dinámica de fluidos establece
que todas las tasas de flujo másico en un volumen de control son iguales a
todas las tasas de flujo másico fuera del volumen de control más la tasa de
cambio de masa dentro del volumen de control.
En
tuberías ocurren pérdidas
de energía provocada
por obstrucciones, cambios
locales de la sección o cambios abruptos de dirección en la trayectoria del
flujo. En los sistemas de riego estas obstrucciones pueden ser accesorios
propios de la red, como:
filtros, válvulas, medidores,
tee, codos, accesorios
de cruceros o cualquier obstrucción que encuentre el agua
que le impida seguir circulando en línea recta. Los cambios de presión que se
tienen en un flujo incompresible a través de un tubo se
deben a cambios en
el nivel o
bien a cambios
en la velocidad
debido a cambios en el área de la
sección transversal y por otra parte al rozamiento. En la ecuación de Bernoulli
se tomó en cuenta únicamente los cambios de nivel y de velocidad del flujo. En
los flujos reales se debe tener en cuenta el rozamiento. El efecto del
rozamiento produce pérdidas
de presión. Estas
pérdidas se dividen
en pérdidas mayores y en pérdidas menores.
Se
deben al rozamiento
en un flujo completamente desarrollado
que pasa a través de segmentos del sistema con área de
sección transversal constante.
Para un flujo completamente desarrollado a
través de un tubo recto de área constante, las pérdidas mayores de carga se
pueden expresar como una pérdida de presión. Como V1=V2 y z1 =
z2
Se deben a la presencia de válvulas, bifurcaciones, codos y
a los efectos de rozamiento en aquellos segmentos del sistema cuya área de
sección transversal no es constante.
Las pérdidas de
carga por fricción
en accesorio ocurren
en tramos cortos,
e hidráulicamente se consideran que ocurren en un punto y usualmente son
conocidas como pérdidas de carga localizadas, locales o pérdidas menores. Para
estas pérdidas de carga localizadas
existen pocos resultados
de validez, debido
principalmente a que el
carácter del flujo
de los accesorios
es bastante complicado
y la forma
para determinar el valor de las pérdidas es experimental.
La magnitud de la pérdida de carga local se expresa como una fracción de la carga de velocidad, inmediatamente aguas abajo del sitio donde se produjo la pérdida. La velocidad del flujo dentro del accesorio se estima en base al caudal y diámetro interno del accesorio
Hl = Ki . v´2/2g
·
hl =
es la pérdida local de carga hidráulica por accesorio (m)
·
Ki =
es un factor
que depende del
accidente u obstrucción
en el flujo (adimensional)
·
v = es la velocidad media en el tramo de
tubería aguas abajo de la obstrucción (m/s)
·
g = es la aceleración de la gravedad (m/s^2).
4.14.
LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
La ecuación de Bernoulli, se puede considerar como una apropiada declaración del principio de la conservación de la energía, para el flujo de fluidos. El comportamiento cualitativo que normalmente evocamos con el término "efecto de Bernoulli", es el descenso de la presión del líquido en las regiones donde la velocidad del flujo es mayor. Este descenso de presión por un estrechamiento de una vía de flujo puede parecer contradictorio, pero no tanto cuando se considera la presión como una densidad de energía. En el flujo de alta velocidad a través de un estrechamiento, se debe incrementar la energía cinética, a expensas de la energía de presión.
P1/Pg + v´2/2g + z1 + hl - ha = P1/Pg + v´2/2g + z2
4.15.
FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO EN TUBERÍAS
La naturaleza del flujo a través de un tubo está determinada por el valor que tome el número de Reynolds siendo este un número adimensional que depende de la densidad, viscosidad y velocidad del flujo y el diámetro del tubo. Se define como
Re= pvD/u
Si el Flujo es Laminar Re<2300
Si el Flujo es
Turbulento Re>2300
Definimos la presión como la cantidad de fuerza ejercida por unidad de área. Así que, para crear una gran cantidad de presión, puedes ejercer una fuerza muy grande o ejercer una fuerza sobre un área pequeña (o ambas). En otras palabras, puedes permanecer seguro recostado en una cama de clavos si el área superficial total de las puntas de los clavos es lo suficientemente grande.
P = F/A
Una válvula de control o válvula de regulación es
una válvula usada para
controlar el flujo de un fluido, comportándose como un orificio de área
continuamente variable, que modifica la pérdida de carga, según lo dirigido por
la señal de un controlador.
La válvula hidráulica de
control BERMAD Serie 700 es de un diseño hidrodinámico, con cuerpo ensanchado
en forma de "Y", lo que disminuye el factor de cavitación, con flujo
directo, provocando que la pérdida de carga sea menor en un 30% que las
válvulas globo, y un actuador de doble cámara, que permite control suave y
preciso.
La válvula BERMAD atiende
una gran variedad de funciones y posibilidades de control:
• Apertura y cierre, hidráulico y eléctrico
• Regulador de presión
• Sostenedor de presión
• Limitador de caudal
• Control de altura de
depósitos
• Válvula de retención
• Válvula de control de
bombas
• Válvula anticipadora de
onda o contra golpe de ariete Y muchas otras aplicaciones para usos en aguas
potables y residuales municipales, industria, petroquímica, edificios, sistemas
contra incendio, y fluidos en genera.
Es un dispositivo generalmente usado para sistemas hidráulicos que permite solo el flujo de líquidos en una sola dirección, es decir, previene el flujo en reversa aislando completamente la zona anterior de donde ahora están los fluidos. Éstas son de las pocas válvulas que ya están automatizadas y que no requieren asistencia manual para que puedan funcionar completamente.
Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que sirve para transformar la energía mecánica de un impulsor o rodete en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. Por lo tanto, el objetivo es convertir la energía en velocidad y posteriormente en energía a presión. Es decir, transforman la energía mecánica en energía hidráulica. De esta manera, puede mover el mayor volumen de líquido posible.
Ya que son las encargadas de suministrar el “empuje” necesario de un fluido para que pueda cumplir con determinada función, tenemos muchas aplicaciones comunes:
· Subir agua a la cima de un edificio(bomba de agua)
· Extraer fluidos debajo de la tierra (pozo petrolífero o bomba subterránea de extracción de agua).
· Bombear liquido por sistemas (como en sistemas de refrigeración(aire acondicionado o heladera)
En el presente proyecto de tuberías se inicia con un depósito inicial de agua, donde observaremos que hay tuberías de aproximadamente 20 metros de alto y 2 metros de ancho que deben estar conectados por codos, tee, válvulas y por su respetiva bomba.
La bomba del sistema tiene un bombeo de agua hacia tres depósitos de un edificio de tres pisos, y esta a su vez tiene una red de tuberías para estos departamentos donde se mantiene controlado el flujo volumétrico que este debe de llevar a cada piso y está inspeccionado por llaves de pasos y por las válvulas que tiene nuestro sistema. Las válvulas que lleva el sistema son: válvulas de control, y válvulas check y en la parte inferior se cuenta con manómetro para determinar el cambio de presión que se puede generar.
En un edificio residencial , se desea plantear una estación de bombeo para todo el edificio, instalando un aljibe con una capacidad de 10000 litros que será repartidos para los tres departamento del edificio, se desea determinar las perdidas de cargas por cada tramos del edificio, el Ha de la bomba y determinar la potencia requerida del sistema.
Descripción del caso:
La tubería y accesorios son de material PVC RDE de ½” , 1” ,1 ½” y 2” diámetro que serán utilizados para cada tramos del edifico y los caudales están de acuerdo a cada diámetro de la tubería con una rugosidad de 0.00015m y viscosidad dinámica de 0.000891 kg/(m*s) a una temperatura de 25 °C.
1. Objeto:
a) Determinar las perdidas de cargas por cada tramos del edificio
b) Determinar el Ha de la bomba.
c) Determinar la potencia requerida del sistema.
6.
PRESENTACIÓN DEL ESQUEMA Y DATOS RELEVANTES.
6.1.Diagrama de flujo del proceso del ejercicio.
6.2. ESQUEMA TECNICO DEL SISTEMA DE TUBERÍAS.
Dimensiones.
Planteamiento del
problema:
En un edificio residencial , se
desea plantear una estación de bombeo para todo el edificio, instalando un aljibe
con una capacidad de 10000 litros que será repartidos para los tres
departamento del edificio, se desea determinar las perdidas de cargas por cada
tramos del edificio, el Ha de la bomba y determinar la potencia requerida del
sistema.
Descripción del caso:
La
tubería y accesorios son de material PVC RDE de ½” , 1” ,1 ½” y 2” diámetro que
serán utilizados para cada tramos del edifico y los caudales están de acuerdo a
cada diámetro de la tubería con una rugosidad de 0.00015m y viscosidad dinámica
de 0.000891 kg/(m*s) a una temperatura de 25 °C.
1.
Objecto:
a)
Determinar las perdidas de cargas por cada tramos del
edificio
b)
Determinar el Ha de la bomba.
c) Determinar la potencia requerida del sistema.
Para nuestro objeto de estudio utilizamos
la ficha técnica de una bomba
centrifuga de 1hp modelo A1E 3450 RPM.
Ahora que tenemos los puntos usaremos
nuestra grafica para poder encontrar el punto de operación de esta.
Esta es nuestra grafica la cual es la que
dispone el fabricante, con esta procedemos a señalar los puntos encontrados.
Como podemos observar en la gráfica vemos
que el punto de operación de
nuestro sistema es de 2.90 l/s y con un
ha de 21.3 m. Esto quiere decir que no existe peligro de cavitación.
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
En nuestro
objeto de estudio
pudimos observar los
cambios que esta
puede obtener a partir
de sus pérdidas,
analizamos que a
mayor cantidad de
pérdidas es menos el
gasto o flujo
volumétrico y que
a menor perdidas
obtendremos un mejor rendimiento en cuanto aflujo
volumétrico.
Las perdidas Hl de cada
tramo son:
·
Proceso 1-2: 4.63 m
·
Proceso 2-3: 2.40 m
·
Proceso 3-4: 2.17 m
·
Proceso 4- Bomba: 1.66 m
·
Proceso Bomba-Reservorio 0.30 m
El Ha de la bomba: 20.42 m
y su potencia: 0.79 hp.
Se recomienda tener a la mano las tablas con los valores de las perdidas ya que es necesario para este tipo de operaciones, así conoceremos las perdidas, ya sea de los codos, válvulas, tuberías, etc. Conocer bien la ficha técnica de la bomba que vamos a usar puesto que así se tiene un mejor manejo de la curva ya que el fabricante nos indica sus limitaciones y de acuerdo a esto ver cuál es nuestra mejor opción a trabajar.
9. BIBLIOGRAFÍAS.
· Arquitectura
y Construcción. (24 de Julio de 2020). Definición de accesorio para
tubería. Obtenido de https://www.parro.com.ar/definicion-de-accesorio+para+tuber%EDa#:~:text=Definici%C3%B3n%20de%20accesorio%20para%20tuber%EF%BF%BDa%20y%20conceptos%20relacionados,direcci%C3%B3n%20recta%20de%20la%20misma.&text=racor%3A%20Componente%20recto%2C%20curvo%2C,Tam
·Connor,
N. (12 de Septiembre de 2019). ¿Qué es la ecuación de continuidad?Obtenido de https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-ecuacion-de-continuidad-definicion/
· Fisicalab.
(2015). Velocidad.Obtenido de https://www.fisicalab.com/apartado/velocidad
·Fisiclab.
(2016). Densidad.Obtenido de https://www.fisicalab.com/apartado/densidad
·Fisicalab.
(2015). Velocidad.Obtenido de
https://www.fisicalab.com/apartado/velocidadFisiclab. (2016). Densidad.Obtenido
de https://www.fisicalab.com/apartado/densidad
·Luis,
J. (2015). Como funciona una bomba hidráulica.Obtenido de https://como-funciona.co/una-bomba-hidraulica/
·Khan Academy. (2016). ¿Que es la ecuación de
bernulli?Obtenido de https://es.khanacademy.org/science/physics/fluids/fluid-dynamics/a/what-is-bernoullis-equation
· Raffino, M. E. (24 de
Julio de 2020). Gravedad.Obtenido de https://concepto.de/gravedad/
·Warren L. McCabe, Julia C. Smith y Peter
Harriott (2007), Operaciones Unitarias en Ingeniería Química - Séptima Edición,
Mc Gran Hill. C
·hristie J. Geankoplis (1998), Proceso de
Transporte y Operaciones Unitarias - Tercera Edición, CECSA.
EXCEL DE LOS CALCULOS OBTENIDOS. (DAR CLIC EN EL LNK).
https://drive.google.com/file/d/1LLaKU8o4qyE4BqSeavfg2N_9avbE4bh9/view?usp=sharing
No hay comentarios:
Publicar un comentario