¿Qué es la caída de presión? Ecuaciones y cálculo de la caída de presión de las tuberías (PDF)

La caída de presión es un término muy utilizado que se usa con frecuencia en ingeniería de diseño, industrias de procesos, etc. Por lo tanto, es muy importante tener un conocimiento profundo de la caída de presión. La caída de presión es la diferencia de presión entre dos puntos siempre que haya un flujo de fluido entre esos puntos. Entonces, la caída de presión ocurre cuando un material fluido (gas/líquido) ingresa por un punto del sistema de tuberías y sale por los otros puntos. En ese caso, los sistemas de tuberías de proceso deberían tener pérdidas de presión, y este fenómeno se conoce como caída de presión.

La caída de presión ocurre debido a la fricción causada por el roce de los fluidos contra la superficie de la tubería y las paredes internas de una tubería. 

Para un sistema, la caída de presión se puede calcular con ecuaciones de ingeniería que requieren el tipo de fluido, la tasa de flujo, las propiedades del fluido, el plano del terreno y las especificaciones del material de la tubería (incluido el grosor, el número de programa y el diámetro de la tubería).

¿Por qué es importante la caída de presión?

Si la caída de presión en un sistema es alta, la temperatura del fluido del proceso aumenta y el consumo de energía será alto. La presión general del sistema también aumenta por la caída de alta presión. La caída de alta presión también aumenta el desgaste de los componentes y provoca escenarios potencialmente peligrosos y de sobrepresión. Por último, una gran caída de presión puede hacer que algunos sistemas de componentes de tuberías se desactiven debido a una presión de funcionamiento insuficiente.

Los ingenieros de procesos deben tener una comprensión clara de la caída de presión de toda la red asociada con el fluido que se va a manejar, de modo que puedan determinar el tamaño, la capacidad de la bomba y los motores, y el diámetro de la tubería necesarios para transportar el fluido específico a través del sistema de tuberías. .

Cuanto mayores sean las caídas de presión en la tubería, mayor será la energía requerida para retener el flujo de proceso requerido, lo que requerirá un motor de mayor potencia. Por otro lado, para una baja caída de presión en una tubería, se requiere menos energía, lo que ofrece la posibilidad de utilizar un motor de menor potencia. La caída de presión también gobierna la presión general del sistema o los requisitos de altura. 

¿Qué es un cabezal de presión?

En resumen, la cabeza de presión se define como la altura (m/ft) a la que una bomba seleccionada puede llevar una columna de agua que generalmente se expresa en metros. 

Es la magnitud de la fuerza que la bomba ejerce sobre el fluido que está siendo bombeado. El proveedor de la bomba puede proporcionar los cabezales de presión de datos o se pueden calcular a partir de la fórmula. 

¿Qué factores afectan la caída de presión?

Los siguientes factores afectan la caída de presión en una red de transporte de fluidos,

Componente fluido

Varios parámetros de fluidos como la densidad, la capacidad calorífica, la temperatura y la viscosidad afectan la caída de presión del fluido.

Algunos productos cambian drásticamente su viscosidad mientras son bombeados a través de una tubería debido al cizallamiento. Este tipo de productos se volverán debido al efecto de fricción causado por el paso a través de las bombas y las superficies internas de las tuberías. Este tipo de fluido se denomina fluido tixotrópico, que es un fluido dependiente del tiempo. Los fluidos tixotrópicos suelen ser fluidos viscosos en condiciones de estancamiento. Pero se vuelve más delgado o menos viscoso durante el movimiento mientras se agita o se mezcla y vuelve a su estado normal cuando se eliminan los medios de mezcla.

Por otro lado, algunos otros se denominan fluidos newtonianos bajo ciertas condiciones de procesamiento. Los fluidos newtonianos no son fluidos tixotrópicos y no están sujetos a variar sus viscosidades al exponerse a la fuerza de corte. Los fluidos que muestran características newtonianas pueden aumentar la caída de presión mientras se bombean a través de un sistema de tuberías porque su viscosidad no variará a medida que pasa por el sistema.

Componente mecánico

Los elementos mecánicos en un sistema de tuberías que imparten caídas de presión son válvulas, filtros, medidores de flujo, acoplamientos, accesorios, codos y tuberías. Excluyendo las bombas, todos estos otros elementos comúnmente disponibles en un sistema de tuberías de proceso contribuyen a una caída de presión general del sistema, ya que eliminan la energía de presión del fluido del proceso, en lugar de agregarla. 

Esta caída de presión dinámica depende del área de la sección transversal del sistema de tuberías, así como de la rugosidad de la superficie interna (factor de rugosidad), la longitud equivalente de la tubería.

Cambios en la elevación

Los cambios de elevación en el sistema de tuberías afectan significativamente la caída de presión. La caída de presión adicional ocurrirá si la elevación inicial de una tubería es menor que su elevación final. Esta diferencia de elevación se mide en la industria de los fluidos en términos de la cabeza del fluido.

Para un sistema de tuberías general, la caída de presión general generalmente se calcula utilizando ecuaciones similares a las siguientes:

P(fin)= P(inicio) – pérdida por fricción-pérdida en accesorios-pérdida de componente + elevación (inicio-fin) + cabeza de bomba

Ecuaciones de caída de presión/ Cálculo de caída de presión

Debido a las diferentes elevaciones, se producen turbulencias causadas por cambios en la dirección del flujo y pérdidas por fricción durante el flujo a través de las tuberías y pérdidas debidas a la caída de presión de los accesorios o la pérdida de carga. Los métodos ampliamente utilizados para calcular la pérdida de carga en tuberías de vidrio son las ecuaciones de Manning, Darcy-Weisbach y Hazen-Williams. La aplicabilidad de cada método se rige por el patrón de flujo (flujo por gravedad o flujo por bombeo).

Ecuación de Hazen-Williams

La ecuación de Hazen-Williams se usa normalmente para tuberías de agua mientras que el flujo es completamente turbulento. Ha logrado una amplia gama de aceptación en las industrias del agua y las aguas residuales, ya que es muy fácil de usar. La ecuación es la siguiente,

V=0,85 CR 0,63 J 0,54

dónde

  • v = velocidad, m/s
  • C = Coeficiente de Hazen-Williams
  • R = Radio medio hidráulico, m
  • J = Gradiente hidráulico, m/m
  • Coeficiente de Hazen-William, C para tubería de fibra de vidrio ADPF se toma como 150.

Ecuación de Manning

Para el flujo por diferencia de gravedad, la ecuación de Manning generalmente se usa para resolver problemas de flujo por gravedad donde el flujo llena parcialmente la tubería bajo la influencia de cambios en la elevación.
La ecuación es la siguiente,

V= (1/n) R 0,667 J 0,5

dónde

  • v = velocidad, m/s
  • n = Coeficiente de Manning
  • R = Radio medio hidráulico, m
  • J = Gradiente hidráulico, m/m
  • El Coeficiente de Manning, n para tubería de fibra de vidrio ADPF se toma como 0.01.

Ecuación de Darcy-Weisbach

Esta ecuación establece que la caída de presión es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad y la longitud de la tubería. Esta ecuación es aplicable para todos los fluidos tanto para flujo laminar como turbulento. La desventaja de esta ecuación es que el factor de fricción de Darcy-Weisbach es una variable que se puede encontrar en el gráfico estándar disponible. La ecuación es la siguiente,

J= (fLV 2 )/2gD

dónde

  • J = Pérdida de carga, m
  • g = constante de gravedad, 9,81 m/s²
  • v = Velocidad, m/s
  • D = diámetro interior, m
  • f = factor de fricción
  • L = Longitud de la tubería, m

Tipos de flujo de fluidos

La conocida ecuación del número de Reynolds se utiliza para caracterizar el flujo de fluido.

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Re = vD / ν

donde ν= Viscosidad cinemática, m²/s

La siguiente tabla determina el tipo de flujo de fluido a partir del número de Reynolds.

Tipo de flujoNúmero de Reynolds
Flujo laminarRe≤2200
Zona de flujo de transición2200≤Re≤4000
Flujo turbulentoRe≥4000
Tipos de fluidos según el número de Reynolds

Si el flujo es laminar, f = 64 / Re
Si el flujo es turbulento, el factor de fricción puede determinarse a partir del diagrama de Moody que se encuentra en la mayoría de los textos de mecánica de fluidos o calcularse a partir de la ecuación de Colebrook.

1/√f=-2Log(ε/3.71D+2.51/(Re√f))

dónde

  • ε = Rugosidad.
  • Re = número de Reynolds

El factor de fricción de correlación de Colebrook para tubería de fibra de vidrio se determina como 0,04 mm, que incluye las pérdidas de carga sobre las juntas.

Caídas de presión en accesorios de tubería

La pérdida de carga o caída de presión en la instalación de tuberías generalmente se define como la longitud equivalente de la tubería que se agrega al tramo recto de la tubería. Este enfoque se asocia principalmente con las ecuaciones de Hazen-Williams o Manning. Este método no considera el efecto debido a la turbulencia y las pérdidas posteriores causadas por diferentes velocidades.

Longitud equivalente (en m)

Accesorios de tuberia1502002503003504004505006007008009001000
Codo 90ᵒ8.56.47.99.410.712.214.017.023.028,032.437.142.3
Codo 45ᵒ3.53.44.25.05.76.58.210.913.616.220.123.525.6
Tee11.014.417.821.124.027.532.838.349.561.572,984.696.8
Longitud equivalente para accesorios de tubería en m

Para un cálculo más preciso, la pérdida de carga en los accesorios se puede determinar utilizando los coeficientes de pérdida (factor K) para cada tipo de codos y accesorios. En este método, el factor K se multiplica por la cabeza de velocidad del fluido que fluye a través de los codos y accesorios.

La ecuación relevante es H=K x (V 2 /2g).

dónde,

  • H = Pérdida de carga, m
  • V = Velocidad del flujo, m/s

Factores K para accesorios de tubería

Tipo de accesorios de tuberíaFactor K
Codo de 90ᵒ, estándar0.5
90ᵒCodo, inglete simple1.4
90ᵒCodo, doble inglete0.8
90ᵒCodo, inglete triple0.8
45ᵒCodo, estándar0.3
45ᵒCodo, inglete simple0.5
T, flujo a rama1.4
T, flujo de rama1.7
Reductor, reducción simple0.7
Factores K para varios accesorios de tubería

Golpe de ariete

Es causado por un aumento de presión  o un choque interno, como resultado de un cambio repentino de velocidad dentro del sistema. Como resultado, estas ondas de choque pueden alcanzar un nivel suficiente para romper o colapsar un sistema de tuberías, independientemente del material de construcción. La oleada de presión es la onda de movimiento más rápido que aumenta y disminuye la presión en el sistema de tuberías que depende de la fuente de la dirección en que viaja la onda de choque. El cierre rápido de la válvula puede provocar la acumulación de ondas de choque a medida que la energía cinética del fluido que se mueve más rápido se convierte en la energía potencial que debe adaptarse. Estas ondas de presión atraviesan todo el sistema de tuberías y pueden causar daños mecánicos lejos de la fuente de la onda de choque.

El efecto del golpe de ariete depende de,

  • Propiedades físicas del fluido.
  • Tasa de flujo volumétrico
  • Módulo elástico del material de la tubería.
  • La longitud equivalente de la tubería.
  • Tasa de cambio de impulso

El valor más bajo del módulo de elasticidad de la fibra de vidrio genera un efecto amortiguador a medida que la onda de presión se mueve a lo largo del sistema de tuberías. Como el módulo elástico del material de la tubería es muy alto, las ondas de presión generadas en la tubería son de una magnitud muy alta. Además, debido al rápido cierre y apertura de la válvula, la liberación repentina de aire y el arranque o apagado de la bomba pueden causar un golpe de ariete.

La fórmula de Talbot da:

P= (awV)/(144.g)=(a/g).(SG/2.3).V

dónde,

  • a=Velocidad de onda (ft/s)
  • P = Presión de sobretensión (psi)
  • v = velocidad del fluido (ft/s)
  • w = Densidad del fluido (lb/ft³)
  • SG = Gravedad específica del fluido
  • K = módulo de volumen del fluido (psi)
  • E = módulo de elasticidad del aro (psi)
  • d = Diámetro interior de la tubería (pulgadas)
  • t = Espesor de la pared de la tubería (pulgadas)
  • g = Aceleración debida a la gravedad (ft/s²)

¿Cómo prevenir el golpe de ariete?

La práctica de diseño estándar puede evitar los golpes de ariete en la mayoría de los sistemas.

  • Debe evitarse la apertura y el cierre rápidos de las válvulas.
  • Evite poner en marcha las bombas en líneas de descarga vacías a menos que las válvulas accionadas mecánicamente se abran gradualmente.
  • Las válvulas NRV o de retención en las bombas deben cerrarse lo más rápido posible para reducir la velocidad del fluido que fluye hacia atrás.
  • El anclaje adecuado del sistema de tuberías puede detener este problema.
  • Se pueden implementar acumuladores y circuitos de control de retroalimentación alrededor de las bombas para evitar que se produzcan golpes de ariete.
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