Sistemas de tuberías en serie
El análisis de sistemas y los problemas de diseño pueden ser clasificados en tres clases:
Clase I
El sistema está definido por completo en términos del tamaño de las tuberías, los tipos de pérdidas menores presentes y el flujo volumétrico del fluido del sistema. El objetivo común es calcular la presión en algún punto de interés, para determinar la carga total de la bomba o encontrar la elevación de una fuente de fluido, con el fin de producir un flujo volumétrico que se desea o ciertas presiones en puntos seleccionados del sistema.
Clase II
El sistema está descrito por completo en término de sus elevaciones, tamaños de tuberías, válvulas y acoplamientos, y la caída de presión permisible en puntos clave del sistema. Se desea conocer el flujo volumétrico del fluido que podría conducir un sistema dado.
Clase III
Se conoce el arreglo general del sistema, así como el flujo volumétrico que se quiere. Ha de calcularse el tamaño de la tubería que se requiere para conducir un flujo volumétrico dado de cierto fluido.
Clase I
Los primeros tres términos del lado izquierdo de esta ecuación representan la energía que tiene el fluido en el punto 1, en forma de carga de presión, carga de elevación y carga de velocidad. Los términos del lado derecho de la ecuación representan la energía el fluido en el punto 2. El término hA es la energía que una bomba agrega al sistema. El nombre común para esta energía es carga total sobre la bomba, y se emplea como uno de los parámetros principales para seleccionar una bomba y determinar su rendimiento. El término hL denota la energía total que se pierde en el sistema en cualquier lugar entre los puntos de referencia 1 y 2. Es común que haya varios factores que contribuyen a la pérdida total de energía.
hL = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6
hL = Pérdida total de energía por unidad de peso del fluido en movimiento
h1 = Pérdida en la entrada
h2 = Pérdida por fricción en la línea de succión
h3 = Pérdida de energía en la válvula
h4 = Pérdida de energía en los dos codos a 90º
h5 = Pérdida por fricción en la línea de descarga
h6 = Pérdida en la salida
En un sistema de tuberías en serie, la pérdida total de energía es la suma de las pérdidas individuales menores más todas las pérdidas provocadas por la fricción.
SISTEMAS DE CLASE II
Un sistema de tubería en serie de clase II es aquel para el que se desea conocer el flujo volumétrico de fluido que un sistema dado podría conducir. El sistema está descrito por completo en términos de sus elevaciones, tamaños de tubería, válvulas y acoplamientos, y la caída de presión permisible en puntos clave del sistema.
Usted sabe que la caída de presión se relaciona en forma directa con la pérdida de energía en el sistema, y que es común que las pérdidas de energía sean proporcionales a la carga de velocidad del fluido conforme circula por aquél. Debido a que la carga de velocidad es v2 /2g, las pérdidas de energía son proporcionales al cuadrado de la velocidad. La tarea del diseñador consiste en determinar qué tan elevada puede ser la velocidad para satisfacer el requerimiento de una caída limitada de la presión.
Se sugieren tres enfoques diferentes para diseñar sistemas de clase II.
Varían en cuanto a complejidad y grado de precisión del resultado final. La lista siguiente proporciona el tipo de sistema para el que se emplea cada método y un panorama breve de cada uno de ellos.
Método II-A
Este es un proceso de solución directa que se usa para sistemas en serie en los que se consideran sólo las pérdidas por fricción en la tubería, y emplea una ecuación que se basa en el trabajo de Swamee y Jain (referencia 13), que incluye el cálculo directo del factor de fricción.
Método II-B
Este método agrega pasos al anterior, y se emplea para sistemas en serie en los que hay pérdidas menores (en accesorios) relativamente pequeñas con pérdidas más o menos grandes por fricción en la tubería. Al principio, se ignoran las pérdidas menores y se utiliza la misma ecuación del método II-A para estimar la velocidad permisible y el flujo volumétrico. Después, se decide acerca de un flujo volumétrico modesto por ser bajo, se introduce las pérdidas menores y se analiza el sistema como si fuera de clase I, para determinar el rendimiento final con el flujo especificado. Si el rendimiento es satisfactorio, el problema habrá concluido. Si no lo es, se intenta con diferentes flujos volumétricos hasta obtener resultados satisfactorios.
Método II-C
Este método se emplea para un sistema en serie donde las pérdidas menores son significativas, en comparación con las provocadas por la fricción en la tubería, para la cual hay un alto grado de precisión en el análisis, es el que más tiempo consume. Requiere el análisis algebraico del comportamiento de todo el sistema y la expresión de la velocidad de flujo en términos del factor de fricción en la tubería. Se desconocen estas dos cantidades debido a que el factor de fricción también depende de la velocidad (el número de Reynolds). Para realizar el análisis se utiliza un proceso iterativo. La iteración consiste en un método controlado de “ensayo y error”, en el que cada paso lleva a una estimación más exacta de la velocidad que limita el flujo, para que se satisfaga la restricción de la caída de presión. Es común que el proceso converja en dos a cuatro iteraciones.
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