Tuberías de transporte varios líquidos forman parte integrante de unidades e instalaciones en las que se llevan a cabo procesos de trabajo relacionados con diversos campos de aplicación. Al elegir las tuberías y la configuración de la tubería, el costo tanto de las tuberías como de accesorios de tubería... El costo final de bombear el medio a través de la tubería está determinado en gran medida por el tamaño de las tuberías (diámetro y longitud). El cálculo de estos valores se lleva a cabo utilizando fórmulas especialmente desarrolladas específicas para ciertos tipos explotación.
Una tubería es un cilindro hueco hecho de metal, madera u otro material que se utiliza para transportar medios líquidos, gaseosos y a granel. El agua se puede utilizar como medio de transporte, gas natural, vapor, derivados del petróleo, etc. Las tuberías se utilizan en todas partes desde varias industrias industria y terminando con el uso doméstico.
Para la fabricación de tuberías, la mayoría diferentes materiales como acero, hierro fundido, cobre, cemento, plástico como plástico ABS, PVC, PVC clorado, polibuteno, polietileno, etc.
Las principales dimensiones de una tubería son su diámetro (exterior, interior, etc.) y el grosor de la pared, que se miden en milímetros o pulgadas. También se utiliza un valor como el diámetro nominal o el orificio nominal: el valor nominal del diámetro interior de la tubería, también medido en milímetros (indicado por DN) o pulgadas (indicado por DN). Los diámetros nominales están estandarizados y son el criterio principal para la selección de tuberías y accesorios.
Correspondencia de tamaños nominales en mm y pulgadas:
Se prefiere una tubería con una sección transversal circular sobre otras secciones geométricas por varias razones:
- Un círculo tiene una relación mínima de perímetro a área, y cuando se aplica a una tubería, esto significa que con igual banda ancha consumo de material de tubería forma redonda será mínimo en comparación con las tuberías de otras formas. Esto también implica los costos más bajos posibles para el aislamiento y el revestimiento protector;
- Una sección transversal circular es más beneficiosa para el movimiento de un medio líquido o gaseoso desde un punto de vista hidrodinámico. Además, debido a la menor área interna posible de la tubería por unidad de su longitud, se logra una minimización de la fricción entre el medio transportado y la tubería.
- La forma redonda es la más resistente a las presiones internas y externas;
- El proceso de fabricación de tubos redondos es bastante sencillo y fácil de realizar.
Los tubos pueden variar mucho en diámetro y configuración, según el propósito y el campo de aplicación. Entonces, las tuberías principales para mover agua o productos petrolíferos pueden alcanzar casi medio metro de diámetro con una configuración bastante simple, y las bobinas de calentamiento, que también son tuberías, con un diámetro pequeño, tienen una forma compleja con muchas vueltas.
Es imposible imaginar una rama de la industria sin una red de tuberías. El cálculo de cualquier red de este tipo incluye la selección del material de la tubería, la elaboración de una especificación, que enumera los datos sobre el espesor, el tamaño de la tubería, la ruta, etc. Las materias primas, productos intermedios y / o productos terminados pasan por etapas de producción, moviéndose entre diferentes dispositivos e instalaciones, que se conectan mediante tuberías y accesorios. El cálculo, selección e instalación correctos del sistema de tuberías es necesario para la implementación confiable de todo el proceso, asegurando el bombeo seguro de los medios, así como para sellar el sistema y evitar fugas de la sustancia bombeada a la atmósfera.
No existe una fórmula o regla única que se pueda utilizar para seleccionar la tubería para cada posible aplicación y entorno operativo. En cada área individual de aplicación de la tubería, hay una serie de factores que requieren consideración y pueden tener un impacto significativo en los requisitos de la tubería. Entonces, por ejemplo, cuando se trabaja con lodos, la tubería talla grande no solo aumentará el costo de instalación, sino que también creará dificultades operativas.
Por lo general, las tuberías se seleccionan después de optimizar los costos de material y operación. Cuanto mayor sea el diámetro de la tubería, es decir, cuanto mayor sea la inversión inicial, menor será la caída de presión y, en consecuencia, menores los costos operativos. Por el contrario, el pequeño tamaño de la tubería reducirá los costos primarios de las tuberías y los propios accesorios de tubería, pero un aumento de la velocidad supondrá un aumento de las pérdidas, lo que llevará a la necesidad de gastar energía adicional para bombear el medio. Los límites de velocidad fijados para diversas aplicaciones se basan en condiciones de diseño óptimas. Los tamaños de las tuberías se calculan utilizando estos códigos, teniendo en cuenta las áreas de aplicación.
Diseño de oleoductos
Al diseñar tuberías, se toman como base los siguientes parámetros básicos de diseño:
- desempeño requerido;
- punto de entrada y salida del oleoducto;
- composición del medio, incluida la viscosidad y Gravedad específica;
- condiciones topográficas de la ruta del oleoducto;
- presión de trabajo máxima permitida;
- cálculo hidráulico;
- diámetro de la tubería, espesor de la pared, límite elástico a la tracción del material de la pared;
- número estaciones de bombeo, la distancia entre ellos y el consumo de energía.
Confiabilidad de la tubería
La confiabilidad en el diseño de las tuberías se garantiza mediante el cumplimiento de los códigos de diseño adecuados. La formación del personal también es un factor clave para garantizar la larga vida útil de la tubería y su estanqueidad y fiabilidad. El monitoreo permanente o periódico de la operación de la tubería se puede realizar mediante sistemas de monitoreo, contabilidad, control, regulación y automatización, dispositivos de control personal en producción y dispositivos de seguridad.
Cobertura adicional de oleoductos
Se aplica un revestimiento resistente a la corrosión en el exterior de la mayoría de las tuberías para evitar los efectos corrosivos de la corrosión desde el exterior. ambiente externo... En el caso de bombear medios corrosivos, también se puede aplicar una capa protectora a superficie interna tubería. Antes de la puesta en servicio, todas las tuberías nuevas destinadas al transporte de líquidos peligrosos se prueban para detectar defectos y fugas.
Conceptos básicos para calcular el flujo en una tubería
La naturaleza del flujo del medio en la tubería y cuando fluye alrededor de obstáculos puede ser muy diferente de un líquido a otro. Uno de los indicadores importantes es la viscosidad del medio, caracterizado por un parámetro como el coeficiente de viscosidad. El ingeniero físico irlandés Osborne Reynolds llevó a cabo una serie de experimentos en 1880, según los resultados de los cuales pudo derivar una cantidad adimensional que caracteriza la naturaleza del flujo de un fluido viscoso, llamado criterio de Reynolds y denotado Re.
Re = (v L ρ) / μ
donde:
ρ es la densidad del líquido;
v es el caudal;
L es la longitud característica del elemento de flujo;
μ es el coeficiente dinámico de viscosidad.
Es decir, el criterio de Reynolds caracteriza la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de fricción viscosas en un flujo de fluido. Un cambio en el valor de este criterio refleja un cambio en la relación de este tipo de fuerzas, lo que, a su vez, afecta la naturaleza del flujo del fluido. En este sentido, se acostumbra distinguir tres modos de flujo en función del valor del criterio de Reynolds. Cuando Re<2300 наблюдается так называемый ламинарный поток, при котором жидкость движется тонкими слоями, почти не смешивающимися друг с другом, при этом наблюдается постепенное увеличение скорости потока по направлению от стенок трубы к ее центру. Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса приводит к дестабилизации такой структуры потока, и значениям 2300
| Perfil de velocidad de flujo | ||
|---|---|---|
| modo laminar | régimen transitorio | régimen turbulento |
 |
 |
|
| La naturaleza del flujo | ||
| modo laminar | régimen transitorio | régimen turbulento |
 |
 |
 |
El criterio de Reynolds es un criterio de similitud para el flujo de un fluido viscoso. Es decir, con su ayuda, es posible simular un proceso real en un tamaño reducido, conveniente para el estudio. Esto es extremadamente importante, ya que a menudo es extremadamente difícil, ya veces incluso imposible, estudiar la naturaleza de los flujos de fluidos en dispositivos reales debido a su gran tamaño.
Cálculo del oleoducto. Cálculo del diámetro de la tubería.
Si la tubería no está aislada térmicamente, es decir, es posible el intercambio de calor entre el transporte y el medio ambiente, entonces la naturaleza del flujo en ella puede cambiar incluso a una velocidad constante (tasa de flujo). Esto es posible si en la entrada el medio bombeado tiene una temperatura suficientemente alta y fluye en modo turbulento. A lo largo de la tubería, la temperatura del medio transportado descenderá debido a las pérdidas de calor al ambiente, lo que puede conllevar un cambio en el régimen de flujo a laminar o transicional. La temperatura a la que se produce el cambio de régimen se denomina temperatura crítica. El valor de la viscosidad del líquido depende directamente de la temperatura, por lo tanto, para tales casos, se usa un parámetro como la viscosidad crítica, correspondiente al punto de cambio del régimen de flujo en el valor crítico del criterio de Reynolds:
v cr = (v D) / Re cr = (4 Q) / (π D Re cr)
donde:
ν cr - viscosidad cinemática crítica;
Re cr es el valor crítico del criterio de Reynolds;
D es el diámetro de la tubería;
v es el caudal;
Q - consumo.
Otro factor importante es la fricción entre la pared de la tubería y la corriente que fluye. En este caso, el coeficiente de fricción depende en gran medida de la rugosidad de las paredes de la tubería. La relación entre el coeficiente de fricción, el criterio de Reynolds y la rugosidad se establece mediante el diagrama de Moody, que permite determinar uno de los parámetros, conociendo los otros dos.
La fórmula de Colebrook-White también se utiliza para calcular el coeficiente de fricción del flujo turbulento. Con base en esta fórmula, es posible construir gráficos según los cuales se establece el coeficiente de fricción.
(√λ) -1 = -2log (2.51 / (Re √λ) + k / (3.71 d))
donde:
k - coeficiente de rugosidad de la tubería;
λ es el coeficiente de fricción.
También existen otras fórmulas para el cálculo aproximado de las pérdidas por fricción durante el flujo de presión del líquido en las tuberías. Una de las ecuaciones más utilizadas en este caso es la ecuación de Darcy-Weisbach. Se basa en datos empíricos y se utiliza principalmente en el modelado de sistemas. La pérdida por fricción es función de la velocidad del fluido y la resistencia de la tubería al movimiento del fluido, expresada en términos del valor de rugosidad de las paredes de la tubería.
∆H = λ L / d v² / (2 g)
donde:
ΔH - pérdida de carga;
λ es el coeficiente de fricción;
L es la longitud de la sección de tubería;
d - diámetro de la tubería;
v es el caudal;
g es la aceleración de la gravedad.
La pérdida de presión debida a la fricción del agua se calcula utilizando la fórmula de Hazen-Williams.
∆H = 11,23 L 1 / C 1,85 Q 1,85 / D 4,87
donde:
ΔH - pérdida de carga;
L es la longitud de la sección de tubería;
C es el coeficiente de rugosidad de Heisen-Williams;
Q - consumo;
D es el diámetro de la tubería.
Presión
La presión de funcionamiento de la tubería es el exceso de presión más alto que garantiza el modo de funcionamiento especificado de la tubería. La decisión sobre el tamaño de la tubería y el número de estaciones de bombeo generalmente se toma en función de la presión de operación de las tuberías, la capacidad de la bomba y los costos. La presión máxima y mínima de la tubería, así como las propiedades del medio de trabajo, determinan la distancia entre las estaciones de bombeo y la potencia requerida.
Presión nominal PN - valor nominal correspondiente a la presión máxima del medio de trabajo a 20 ° C, a la cual es posible el funcionamiento continuo de la tubería con las dimensiones dadas.
A medida que aumenta la temperatura, la capacidad de carga de la tubería disminuye, al igual que la sobrepresión permitida como resultado. El valor pe, zul indica la presión máxima (g) en el sistema de tuberías a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento.
Gráfico de sobrepresión admisible:
Cálculo de la caída de presión en la tubería.
El cálculo de la caída de presión en la tubería se realiza de acuerdo con la fórmula:
∆p = λ L / d ρ / 2 v²
donde:
Δp es la caída de presión en la sección de tubería;
L es la longitud de la sección de tubería;
λ es el coeficiente de fricción;
d - diámetro de la tubería;
ρ es la densidad del medio bombeado;
v es el caudal.
Medios de trabajo transportados
La mayoría de las veces, las tuberías se utilizan para transportar agua, pero también se pueden utilizar para mover lodos, suspensiones, vapor, etc. En la industria petrolera, las tuberías se utilizan para bombear una amplia gama de hidrocarburos y sus mezclas, que difieren enormemente en propiedades químicas y físicas. El petróleo crudo se puede transportar a más distancias desde campos terrestres o plataformas petrolíferas en alta mar hasta terminales, puntos intermedios y refinerías.
Las tuberías también transmiten:
- productos refinados como gasolina, combustible de aviación, queroseno, combustible diesel, fueloil, etc.;
- materia prima petroquímica: benceno, estireno, propileno, etc.;
- hidrocarburos aromáticos: xileno, tolueno, cumeno, etc.;
- fuelóleos licuados tales como gas natural licuado, gas licuado de petróleo, propano (gases a temperatura y presión estándar, pero licuados usando presión);
- dióxido de carbono, amoníaco líquido (transportado como líquido a presión);
- el betún y los combustibles viscosos son demasiado viscosos para ser transportados a través de oleoductos, por lo tanto, se utilizan fracciones destiladas de petróleo para licuar estas materias primas y dar como resultado una mezcla que se puede transportar por el oleoducto;
- hidrógeno (en distancias cortas).
La calidad del medio transportado
Las propiedades físicas y los parámetros de los medios transportados determinan en gran medida el diseño y los parámetros operativos de la tubería. La gravedad específica, la compresibilidad, la temperatura, la viscosidad, el punto de fluidez y la presión de vapor son los principales parámetros del medio de trabajo que deben tenerse en cuenta.
La gravedad específica de un líquido es su peso por unidad de volumen. Muchos gases se transportan a través de tuberías a presión elevada, y cuando se alcanza cierta presión, algunos gases pueden incluso someterse a licuefacción. Por lo tanto, la relación de compresión del medio es un parámetro crítico para el diseño de tuberías y para determinar la capacidad de rendimiento.
La temperatura afecta directa e indirectamente el rendimiento de la tubería. Esto se expresa en el hecho de que el líquido aumenta de volumen después de aumentar la temperatura, siempre que la presión se mantenga constante. Una caída de temperatura también puede afectar tanto al rendimiento como a la eficiencia general del sistema. Por lo general, cuando la temperatura del líquido disminuye, esto se acompaña de un aumento de su viscosidad, lo que crea una resistencia adicional a la fricción a lo largo de la pared interna de la tubería, lo que requiere más energía para bombear la misma cantidad de líquido. Los medios muy viscosos son sensibles a los cambios en las temperaturas de funcionamiento. La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir y se mide en centistokes cSt. La viscosidad determina no solo la elección de la bomba, sino también la distancia entre las estaciones de bombeo.
Tan pronto como la temperatura del medio desciende por debajo del punto de fluidez, el funcionamiento de la tubería se vuelve imposible y se toman varias opciones para reanudar su funcionamiento:
- calentar el medio o el aislamiento térmico de las tuberías para mantener la temperatura de funcionamiento del medio por encima de su punto de fluidez;
- cambio en la composición química del medio antes de ingresar a la tubería;
- dilución del medio transportado con agua.
Tipos de tuberías principales
Los tubos principales están soldados o sin costura. Los tubos de acero sin costura se fabrican sin soldaduras longitudinales con tramos de acero tratados térmicamente para lograr el tamaño y las propiedades deseados. La tubería soldada se fabrica mediante varios procesos de fabricación. Estos dos tipos se diferencian entre sí en el número de soldaduras longitudinales en la tubería y en el tipo de equipo de soldadura utilizado. La tubería de acero soldada es el tipo más comúnmente utilizado en aplicaciones petroquímicas.
Cada tramo de tubería se suelda para formar una tubería. Además, en las tuberías principales, según el campo de aplicación, se utilizan tuberías de fibra de vidrio, diversos plásticos, fibrocemento, etc.
Para conectar secciones de tubería rectas, así como para la transición entre secciones de tubería de diferentes diámetros, se utilizan elementos de conexión especialmente hechos (codos, curvas, compuertas).
| codo 90 ° | doblar 90 ° | rama de transición | derivación |
 |
 |
 |
|
| codo 180 ° | doblar 30 ° | pezón adaptador | propina |
 |
 |
 |
Para la instalación de partes individuales de tuberías y accesorios, se utilizan conexiones especiales.
| soldado | rebordeado | roscado | embrague |
 |
 |
 |
 |
Alargamiento térmico de la tubería.
Cuando la tubería está bajo presión, toda su superficie interior está sujeta a una carga distribuida uniformemente, lo que provoca fuerzas internas longitudinales en la tubería y cargas adicionales en los soportes de los extremos. Las fluctuaciones de temperatura también afectan la tubería, provocando cambios en las dimensiones de la tubería. Las fuerzas en una tubería fija durante las fluctuaciones de temperatura pueden exceder el valor permitido y provocar una tensión excesiva, peligrosa para la resistencia de la tubería, tanto en el material de la tubería como en las juntas bridadas. Las fluctuaciones en la temperatura del medio bombeado también crean un estrés de temperatura en la tubería, que puede transmitirse a los accesorios, estaciones de bombeo, etc. Esto puede provocar la despresurización de las juntas de la tubería, fallas de los accesorios u otros elementos.
Cálculo de las dimensiones de la tubería cuando cambia la temperatura.
El cálculo del cambio en las dimensiones lineales de la tubería con un cambio de temperatura se realiza de acuerdo con la fórmula:
∆L = a L ∆t
a - coeficiente de alargamiento térmico, mm / (m ° C) (ver tabla a continuación);
L - longitud de la tubería (distancia entre soportes fijos), m;
Δt es la diferencia entre máx. y min. temperatura del medio de bombeo, ° С.
Mesa de expansión lineal para tuberías de varios materiales.
Los números dados representan el promedio de los materiales enumerados y para calcular la tubería a partir de otros materiales, los datos de esta tabla no deben tomarse como base. Al calcular la tubería, se recomienda utilizar el coeficiente de alargamiento lineal indicado por el fabricante de la tubería en la especificación técnica o la hoja de datos adjunta.
La expansión térmica de las tuberías se elimina tanto mediante el uso de secciones de compensación especiales de la tubería como mediante el uso de compensadores, que pueden consistir en partes elásticas o móviles.
Las secciones de compensación consisten en partes rectas elásticas de la tubería, ubicadas perpendiculares entre sí y sujetadas con curvas. Con el alargamiento térmico, el aumento de una parte se compensa por la deformación por flexión de la otra parte en el plano o por la deformación por flexión y torsión en el espacio. Si la tubería en sí compensa la expansión térmica, esto se denomina autocompensación.
La compensación también tiene lugar gracias a las curvas elásticas. Parte del alargamiento se compensa con la elasticidad de las curvas, la otra parte se elimina debido a las propiedades elásticas del material de la sección ubicada detrás de la curva. Las juntas de dilatación se instalan donde no es posible utilizar tramos de compensación o cuando la autocompensación de la tubería es insuficiente.
Según el diseño y el principio de funcionamiento, hay cuatro tipos de compensadores: en forma de U, lentes, ondulados, prensaestopas. En la práctica, a menudo se utilizan juntas de dilatación planas con forma de L, Z o U. En el caso de las juntas de dilatación espacial, suelen ser 2 secciones planas mutuamente perpendiculares y tienen un hombro común. Las juntas de dilatación elásticas están hechas de tubos o discos o fuelles elásticos.
Determinación del tamaño óptimo del diámetro de las tuberías.
El diámetro óptimo de la tubería se puede encontrar sobre la base de cálculos técnicos y económicos. Las dimensiones de la tubería, incluido el tamaño y la funcionalidad de los diversos componentes, y las condiciones bajo las cuales debe operar la tubería, determinan la capacidad de transporte del sistema. Los tamaños de tubería más grandes son adecuados para caudales másicos más altos, siempre que los otros componentes del sistema tengan el tamaño y las dimensiones adecuados. Normalmente, cuanto mayor es la longitud de la tubería principal entre las estaciones de bombeo, mayor es la caída de presión en la tubería. Además, un cambio en las características físicas del medio bombeado (viscosidad, etc.) también puede tener un gran efecto sobre la presión en la línea.
Tamaño óptimo: el tamaño de tubería más pequeño adecuado para una aplicación específica, rentable durante la vida útil del sistema.
Fórmula para calcular el rendimiento de la tubería:
Q = (π · d²) / 4 · v
Q es el caudal del líquido bombeado;
d es el diámetro de la tubería;
v es el caudal.
En la práctica, para calcular el diámetro óptimo de la tubería, se utilizan los valores de las velocidades óptimas del medio bombeado, tomados de materiales de referencia compilados sobre la base de datos experimentales:
| El medio bombeado | El rango de velocidades óptimas en la tubería, m / s | |
|---|---|---|
| Liquidos | Conducir por gravedad: | |
| Líquidos viscosos | 0,1 - 0,5 | |
| Líquidos de baja viscosidad | 0,5 - 1 | |
| Transferencia por bomba: | ||
| Lado de succión | 0,8 - 2 | |
| Lado de descarga | 1,5 - 3 | |
| Gases | Antojos naturales | 2 - 4 |
| Baja presión | 4 - 15 | |
| Alta presión | 15 - 25 | |
| Parejas | Vapor supercalentado | 30 - 50 |
| Vapor saturado a presión: | ||
| Más de 105 Pa | 15 - 25 | |
| (1 - 0,5) 105 Pa | 20 - 40 | |
| (0,5 - 0,2) 105 Pa | 40 - 60 | |
| (0,2 - 0,05) 105 Pa | 60 - 75 | |
De aquí obtenemos la fórmula para calcular el diámetro óptimo de la tubería:
d о = √ ((4 Q) / (π v о))
Q es el caudal especificado del líquido bombeado;
d es el diámetro óptimo de la tubería;
v es el caudal óptimo.
A altos caudales, se suelen utilizar tuberías de menor diámetro, lo que significa menores costos para la compra de la tubería, su mantenimiento e instalación (denotar K 1). Con un aumento en la velocidad, hay un aumento en las pérdidas de carga debido a la fricción y en las resistencias locales, lo que conduce a un aumento en el costo de bombeo del líquido (denotar K 2).
Para tuberías de grandes diámetros, los costos de K 1 serán más altos y los costos durante la operación de K 2 son más bajos. Si sumamos los valores de K 1 y K 2, obtenemos los costos mínimos totales K y el diámetro óptimo de la tubería. Los costes K 1 y K 2 en este caso se dan en el mismo período de tiempo.
Cálculo (fórmula) de los costos de capital para una tubería
K 1 = (m C M K M) / n
m es la masa de la tubería, t;
C M - costo de 1 tonelada, frote / tonelada;
K M - coeficiente que aumenta el costo del trabajo de instalación, por ejemplo 1.8;
n - vida útil, años.
Los costos operativos indicados están relacionados con el consumo de energía:
K 2 = 24 N n días C E frotar / año
N - potencia, kW;
n ДН - número de días laborables por año;
С Э - costos por un kWh de energía, rublos / kW * h.
Fórmulas de dimensionamiento de tuberías
Un ejemplo de fórmulas generales para dimensionar tuberías sin considerar posibles factores de influencia adicionales como erosión, sólidos en suspensión, etc.
| Nombre | La ecuacion | Posibles limitaciones |
|---|---|---|
| Flujo de líquido y gas presurizado | ||
| Pérdida de fricción Darcy-Weisbach |
d = 12 · [(0.0311 · f · L · Q 2) / (h f)] 0.2 |
Q - caudal volumétrico, gal / min; d es el diámetro interior de la tubería; hf - pérdida de carga por fricción; L es la longitud de la tubería, pies; f es el coeficiente de fricción; V es el caudal. |
| Ecuación de flujo de fluido total | d = 0,64 √ (Q / V) |
Q - caudal volumétrico, gal / min |
| Tamaño de la línea de succión de la bomba para limitar las pérdidas de carga por fricción | d = √ (0.0744 Q) |
Q - caudal volumétrico, gal / min |
| Ecuación de flujo de gas total | d = 0,29 √ ((Q T) / (P V)) |
Q - caudal volumétrico, ft³ / min T - temperatura, K P - presión lb / in² (abs); V - velocidad |
| Flujo gravitacional | ||
| Ecuación de Manning para calcular el diámetro de la tubería para el flujo máximo | d = 0,375 |
Q es el caudal volumétrico; n es el coeficiente de rugosidad; S es la pendiente. |
| Relación de número de Froude de inercia y gravedad | Fr = V / √ [(d / 12) · g] |
g es la aceleración de la gravedad; v es el caudal; L - longitud o diámetro de la tubería. |
| Vapor y evaporación | ||
| Ecuación para determinar el diámetro de la tubería para vapor. | d = 1,75 · √ [(W · v_g · x) / V] |
W es el flujo másico; Vg es el volumen específico de vapor saturado; x - calidad del vapor; V es la velocidad. |
Caudal óptimo para varios sistemas de tuberías
El tamaño óptimo de la tubería se selecciona de la condición de los costos mínimos para bombear el medio a través de la tubería y el costo de las tuberías. Sin embargo, también deben tenerse en cuenta los límites de velocidad. A veces, el tamaño de la línea de tuberías debe coincidir con los requisitos del proceso. Asimismo, el tamaño de la tubería suele estar relacionado con la caída de presión. En los cálculos de diseño preliminares, donde no se tienen en cuenta las pérdidas de presión, el tamaño de la tubería del proceso está determinado por la velocidad permitida.
Si hay cambios en la dirección del flujo en la tubería, esto conduce a un aumento significativo de las presiones locales en la superficie perpendicular a la dirección del flujo. Este tipo de aumento es función de la velocidad del fluido, la densidad y la presión de referencia. Dado que la velocidad es inversamente proporcional al diámetro, los fluidos de alta velocidad requieren especial atención al dimensionar y configurar la tubería. El tamaño de tubería óptimo, por ejemplo, para ácido sulfúrico, limita la velocidad del fluido a un valor que evita la erosión de la pared en las curvas de la tubería, evitando así daños a la estructura de la tubería.
Flujo de líquido por gravedad
Calcular el tamaño de la tubería en el caso de un flujo por gravedad es bastante complicado. La naturaleza del movimiento con esta forma de flujo en la tubería puede ser monofásica (tubería completa) y bifásica (llenado parcial). El flujo de dos fases ocurre cuando hay tanto líquido como gas en la tubería.
Dependiendo de la proporción de líquido y gas, así como de sus velocidades, el régimen de flujo de dos fases puede variar de burbujeante a disperso.
| flujo de burbujas (horizontal) | slug flow (horizontal) | flujo de olas | flujo disperso |
 |
 |
 |
 |
La fuerza impulsora del fluido cuando se mueve por gravedad es proporcionada por la diferencia de alturas de los puntos inicial y final, y un requisito previo es la ubicación del punto inicial por encima del punto final. En otras palabras, la diferencia de alturas determina la diferencia de energía potencial del líquido en estas posiciones. Este parámetro también se tiene en cuenta al seleccionar una tubería. Además, la magnitud de la fuerza motriz está influenciada por los valores de presión en los puntos inicial y final. Un aumento de la caída de presión conlleva un aumento del caudal de fluido, lo que a su vez permite la selección de una tubería de menor diámetro y viceversa.
Si el punto final está conectado a un sistema presurizado, como una columna de destilación, la presión equivalente debe restarse de la diferencia de altura disponible para estimar la presión diferencial efectiva real generada. Además, si el punto de partida de la tubería está bajo vacío, entonces su efecto sobre la presión diferencial total también debe tenerse en cuenta al seleccionar la tubería. El dimensionamiento final de la tubería se realiza mediante presión diferencial, teniendo en cuenta todos los factores anteriores, y no basándose únicamente en la diferencia de altura entre los puntos inicial y final.
Flujo de líquido caliente
Las plantas de proceso generalmente enfrentan varios problemas al manipular medios calientes o hirviendo. La razón principal es la evaporación de parte de la corriente de líquido caliente, es decir, la transformación de fase del líquido en vapor dentro de la tubería o equipo. Un ejemplo típico es el fenómeno de cavitación de una bomba centrífuga, acompañado de un punto de ebullición de un líquido seguido de la formación de burbujas de vapor (cavitación de vapor) o la liberación de gases disueltos en burbujas (cavitación de gas).
Se prefieren las tuberías más grandes debido al caudal reducido que las tuberías más pequeñas a un caudal constante debido al mayor NPSH en la línea de succión de la bomba. La cavitación causada por la pérdida de presión también puede ser causada por cambios repentinos en la dirección del flujo o la reducción del tamaño de la tubería. La mezcla de vapor y gas resultante crea un obstáculo para el paso del flujo y puede dañar la tubería, lo que hace que el fenómeno de cavitación sea extremadamente indeseable durante la operación de la tubería.
Tubería de derivación para equipos / instrumentos
Los equipos y dispositivos, especialmente aquellos que pueden crear caídas de presión importantes, es decir, intercambiadores de calor, válvulas de control, etc., están equipados con tuberías de derivación (para que el proceso no se interrumpa incluso durante los trabajos de mantenimiento). Estas tuberías suelen tener 2 válvulas de cierre instaladas en la línea de la instalación y una válvula que regula el caudal en paralelo a la instalación.
Durante el funcionamiento normal, el flujo de fluido, que pasa a través de los componentes principales del aparato, experimenta una caída de presión adicional. En consecuencia, se calcula la presión de descarga generada por el equipo conectado, como una bomba centrífuga. La bomba se selecciona en función de la caída de presión total en la instalación. Mientras se mueve a través del bypass, esta caída de presión adicional está ausente, mientras que una bomba en funcionamiento entrega el mismo flujo de fuerza de acuerdo con sus características de operación. Para evitar diferencias en las características de flujo entre el aparato y la línea de derivación, se recomienda utilizar una línea de derivación más pequeña con una válvula de control para crear una presión equivalente al conjunto principal.
Línea de muestreo
Por lo general, se toma una pequeña cantidad de líquido para analizar y determinar su composición. El muestreo se puede realizar en cualquier etapa del proceso para determinar la composición de la materia prima, producto intermedio, producto terminado o simplemente sustancia transportada como aguas residuales, portador de calor, etc. El tamaño de la sección de la tubería que se muestrea generalmente dependerá del tipo de fluido que se analiza y la ubicación del punto de muestreo.
Por ejemplo, para gases a presión elevada, las pequeñas tuberías con válvulas son suficientes para tomar la cantidad requerida de muestras. El aumento del diámetro de la línea de muestreo reducirá la proporción de la muestra tomada para el análisis, pero dicho muestreo se vuelve más difícil de controlar. Al mismo tiempo, una línea de muestreo pequeña no es adecuada para el análisis de varias suspensiones, en las que los sólidos pueden obstruir la ruta del flujo. Así, el tamaño de la línea de muestreo para el análisis de suspensiones depende en gran medida del tamaño de las partículas sólidas y de las características del medio. Se aplican conclusiones similares a los fluidos viscosos.
Al dimensionar la línea de muestreo, es común considerar:
- características del líquido a tomar;
- pérdida de ambiente de trabajo durante la selección;
- requisitos de seguridad durante la selección;
- facilidad de uso;
- ubicación del punto de muestreo.
Circulación de refrigerante
Para tuberías con refrigerante en circulación, se prefieren velocidades altas. Esto se debe principalmente al hecho de que el líquido de enfriamiento en la torre de enfriamiento está expuesto a la luz solar, lo que crea las condiciones para la formación de una capa que contiene algas. Una porción de este volumen que contiene algas ingresa al refrigerante circulante. A velocidades de flujo bajas, las algas comienzan a crecer en la tubería y después de un tiempo dificulta que el refrigerante circule o pase al intercambiador de calor. En este caso, se recomienda una alta tasa de circulación para evitar la formación de bloqueos de algas en la tubería. Normalmente, el uso de refrigerante de alta circulación se encuentra en la industria química, que requiere grandes tamaños y longitudes de tubería para suministrar energía a varios intercambiadores de calor.
Desbordamiento del tanque
Los tanques están equipados con tuberías de desbordamiento por las siguientes razones:
- evitar la pérdida de líquido (el exceso de líquido ingresa a otro depósito en lugar de derramarse fuera del depósito original);
- evitar que los líquidos no deseados se escapen del tanque;
- manteniendo el nivel de líquido en los tanques.
En todos los casos antes mencionados, las tuberías de rebose están diseñadas para el flujo máximo permitido de líquido que ingresa al tanque, independientemente del caudal de líquido en la salida. Otros principios de selección de tuberías son similares a la selección de tuberías para fluidos por gravedad, es decir, de acuerdo con la disponibilidad de altura vertical disponible entre los puntos inicial y final de la tubería de desbordamiento.
El punto más alto de la tubería de desbordamiento, que también es su punto de partida, está en el punto de conexión al tanque (tubería de desbordamiento del tanque), generalmente casi en la parte superior, y el punto final más bajo puede estar cerca de la canaleta de drenaje, casi en el mismo suelo. Sin embargo, la línea de desbordamiento puede terminar en una elevación mayor. En este caso, la altura diferencial disponible será menor.
Flujo de lodos
En el caso de la industria minera, el mineral generalmente se extrae en áreas de difícil acceso. En tales lugares, por regla general, no hay conexión por ferrocarril o carretera. Para tales situaciones, el transporte hidráulico de medios con partículas sólidas se considera el más aceptable, incluso en el caso de la ubicación de plantas de procesamiento minero a una distancia suficiente. Las tuberías de pulpa se utilizan en varios campos industriales para transportar sólidos triturados junto con líquidos. Tales tuberías han demostrado ser las más rentables en comparación con otros métodos de transporte de sólidos en grandes volúmenes. Además, sus ventajas incluyen suficiente seguridad debido a la falta de varios tipos de transporte y respeto al medio ambiente.
Las suspensiones y mezclas de sólidos en suspensión en líquidos se mantienen en agitación intermitente para mantener la uniformidad. De lo contrario, se produce el proceso de estratificación, en el que las partículas en suspensión, según sus propiedades físicas, flotan hacia la superficie del líquido o se depositan en el fondo. La agitación se logra a través de equipos como un tanque agitado, mientras que en las tuberías, esto se logra manteniendo las condiciones de flujo turbulento.
No es deseable una disminución del caudal durante el transporte de partículas suspendidas en un líquido, ya que el proceso de separación de fases puede comenzar en el flujo. Esto puede provocar un bloqueo en la tubería y un cambio en la concentración de los sólidos transportados en la corriente. El régimen de flujo turbulento facilita la mezcla intensa en el volumen de flujo.
Por otro lado, la reducción excesiva del tamaño de la tubería a menudo también conduce a bloqueos de la tubería. Por lo tanto, la elección del tamaño de la tubería es un paso importante y crucial que requiere análisis y cálculos preliminares. Cada caso debe considerarse individualmente, ya que diferentes lechadas se comportan de manera diferente a diferentes velocidades de fluido.
Reparación de oleoductos
Durante la operación de la tubería, pueden ocurrir varios tipos de fugas en la misma, requiriendo su eliminación inmediata para mantener la operatividad del sistema. La reparación de la tubería principal se puede realizar de varias maneras. Esto puede ser reemplazar un segmento de tubería completo o una pequeña sección en la que se produjo una fuga, o aplicar un parche a una tubería existente. Pero antes de elegir cualquier método de reparación, es necesario realizar un estudio exhaustivo de la causa de la fuga. En algunos casos, puede ser necesario no solo reparar, sino cambiar la ruta de la tubería para evitar su daño repetido.
La primera etapa del trabajo de reparación es determinar la ubicación de la sección de tubería que requiere intervención. Además, según el tipo de tubería, se determina una lista del equipo necesario y las medidas necesarias para eliminar la fuga, y se lleva a cabo la recopilación de los documentos y permisos necesarios si la sección de tubería a reparar se encuentra en el territorio de otro dueño. Dado que la mayoría de las tuberías están ubicadas bajo tierra, puede ser necesario quitar parte de la tubería. Además, se comprueba el estado general del revestimiento de la tubería, después de lo cual se retira parte del revestimiento para realizar trabajos de reparación directamente con la tubería. Después de la reparación, se pueden realizar diversas actividades de verificación: pruebas ultrasónicas, detección de defectos de color, detección de defectos de polvo magnético, etc.
Si bien algunas reparaciones requieren un cierre completo de la tubería, a menudo una interrupción temporal es suficiente para aislar la sección de reparación o preparar una derivación. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los trabajos de reparación se llevan a cabo con un cierre completo de la tubería. El aislamiento de la sección de la tubería se puede realizar mediante tapones o válvulas de cierre. Además, se instala el equipo necesario y la reparación se realiza directamente. Los trabajos de reparación se llevan a cabo en el área dañada, liberados del medio y sin presión. Al final de la reparación, se abren los tapones y se restaura la integridad de la tubería.
30267 0 22
Capacidad de la tubería: simple sobre lo complejo
¿Cómo cambia el rendimiento de una tubería en función del diámetro? ¿Qué factores, además de la sección transversal, afectan este parámetro? Finalmente, ¿cómo calcular, incluso aproximadamente, la permeabilidad de un sistema de suministro de agua para un diámetro conocido? En este artículo intentaré dar las respuestas más sencillas y accesibles a estas preguntas.
Nuestra tarea es aprender a calcular la sección transversal óptima de las tuberías de agua.
Por que es necesario
El cálculo hidráulico le permite obtener el óptimo mínimo el valor del diámetro del suministro de agua.
Por un lado, siempre falta mucho dinero para la construcción y reparación, y el precio de un metro lineal de tuberías crece de forma no lineal al aumentar el diámetro. Por otro lado, una sección transversal subestimada del suministro de agua provocará una caída excesiva de presión en los dispositivos terminales debido a su resistencia hidráulica.
Con un caudal en el dispositivo intermedio, una caída de presión en el dispositivo final conducirá al hecho de que la temperatura del agua con los grifos de suministro de agua fría y caliente abiertos cambiará drásticamente. Como resultado, lo rociarán con agua helada o lo escaldarán con agua hirviendo.
Restricciones
Deliberadamente limito el alcance de las tareas en consideración a la plomería de una pequeña casa privada. Hay dos razones:
- Los gases y líquidos de diferentes viscosidades se comportan de manera completamente diferente durante el transporte por tuberías. La consideración del comportamiento del gas natural y licuado, el petróleo y otros ambientes aumentaría el volumen de este material varias veces y nos alejaría de mi especialidad: plomería;
- En el caso de un edificio grande con numerosos accesorios de plomería para el cálculo hidráulico del suministro de agua, será necesario calcular la probabilidad del uso simultáneo de varios puntos de extracción. En una casa pequeña, el cálculo se realiza para el consumo máximo de todos los electrodomésticos disponibles, lo que simplifica enormemente la tarea.
Factores
El cálculo hidráulico de un sistema de suministro de agua es una búsqueda de uno de dos valores:
- Cálculo del rendimiento de una tubería en una sección transversal conocida;
- Cálculo del diámetro óptimo para un caudal planificado conocido.
En condiciones reales (al diseñar un sistema de suministro de agua), es mucho más necesario realizar la segunda tarea.
La lógica cotidiana dicta que el caudal máximo de agua a través de una tubería está determinado por su diámetro y presión de entrada. Por desgracia, la realidad es mucho más complicada. El hecho es que la tubería tiene resistencia hidráulica En pocas palabras, el flujo se desacelera por la fricción contra las paredes. Además, el material y el estado de las paredes afectan de forma predecible al grado de inhibición.
Aquí hay una lista completa de factores que afectan el desempeño de una tubería de agua:
- Presión al comienzo del sistema de suministro de agua (leer - presión en la línea);
- Pendiente tuberías (cambio en su altura sobre el nivel del suelo condicional al principio y al final);
- Material paredes El polipropileno y el polietileno tienen una rugosidad mucho menor que el acero y el hierro fundido;
- Envejecer tubería. Con el tiempo, el acero se llena de óxido y depósitos de cal, que no solo aumentan la rugosidad, sino que también reducen la holgura interna de la tubería;
Esto no se aplica a las tuberías de vidrio, plástico, cobre, galvanizadas y de metal-polímero. Todavía se encuentran en un nuevo estado después de 50 años de funcionamiento. Una excepción es la sedimentación del sistema de suministro de agua con una gran cantidad de materia en suspensión y la ausencia de filtros en la entrada.
- Cantidad y ángulo vueltas;
- Cambios de diámetro suministro de agua;
- Presencia o ausencia soldaduras, rebabas de soldaduras y accesorios de conexión;
- Válvulas de cierre... Incluso las válvulas de bola de paso total ofrecen cierta resistencia al flujo.
Cualquier cálculo del rendimiento de la tubería será muy aproximado. Quiéramos o no, tendremos que usar coeficientes promediados, típicos de condiciones cercanas a las nuestras.
Ley de Torricelli
Evangelista Torricelli, que vivió a principios del siglo XVII, es conocido como alumno de Galileo Galilei y autor del concepto mismo de presión atmosférica. También posee una fórmula que describe el caudal de agua que sale de un recipiente a través de una abertura de dimensiones conocidas.
Para que la fórmula de Torricelli funcione, debe:
- Para que sepamos la presión del agua (la altura de la columna de agua sobre el agujero);
Una atmósfera con la gravedad de la Tierra es capaz de elevar una columna de agua en 10 metros. Por lo tanto, la presión en atmósferas se convierte en altura simplemente multiplicándola por 10.
- Para hacer el agujero significativamente menor que el diámetro del recipiente, eliminando así la pérdida de presión por rozamiento contra las paredes.
En este caso, la fórmula de Torricelli tendrá la forma v ^ 2 = 2 * 9.78 * 20 = 391.2. La raíz cuadrada de 391.2 se redondea a 20. Esto significa que el agua saldrá del agujero a una velocidad de 20 m / s.
Calculamos el diámetro del agujero por el que fluye la corriente. Al convertir el diámetro en unidades SI (metros), obtenemos 3,14159265 * 0,01 ^ 2 = 0,0003141593. Y ahora calculamos el consumo de agua: 20 * 0.0003141593 = 0.006283186, o 6.2 litros por segundo.
De vuelta a la realidad
Estimado lector, me atrevería a sugerirle que no tenga un manómetro instalado frente al mezclador. Obviamente, para un cálculo hidráulico más preciso, se necesitan algunos datos adicionales.
Por lo general, el problema de diseño se resuelve de la manera opuesta: con un flujo de agua conocido a través de los accesorios de plomería, la longitud del sistema de suministro de agua y su material, se selecciona un diámetro que asegure una caída de presión a valores aceptables. El factor limitante es el caudal.
Dato de referencia
El caudal normal para las tuberías de agua internas es de 0,7 a 1,5 m / s. Exceder este último valor conduce a la aparición de ruido hidráulico (principalmente en curvas y accesorios).
Las tasas de consumo de agua para accesorios de plomería son fáciles de encontrar en la documentación reglamentaria. En particular, se incluyen en el apéndice de SNiP 2.04.01-85. Para salvar al lector de búsquedas prolongadas, presentaré esta tabla aquí.
La tabla muestra datos para mezcladores con aireadores. Su ausencia iguala el flujo a través de los mezcladores de fregadero, lavabo y cabina de ducha con el flujo a través del mezclador cuando el baño está listo.
Permítame recordarle que si desea calcular el suministro de agua de una casa privada con sus propias manos, sume el consumo de agua para todos los dispositivos instalados... Si no sigue esta instrucción, le esperan sorpresas, como una fuerte caída de la temperatura en la ducha al abrir el grifo de agua caliente.
Si hay un suministro de agua contra incendios en el edificio, se añaden 2,5 l / s por cada hidrante al caudal planificado. Para un sistema de suministro de agua contra incendios, el caudal está limitado a un valor de 3 m / s: en caso de incendio, el ruido hidráulico es lo último que irritará a los vecinos.
Al calcular la presión, generalmente se asume que en el extremo del dispositivo desde la entrada, debe ser de al menos 5 metros, lo que corresponde a una presión de 0.5 kgf / cm2. Algunos accesorios de plomería (calentadores de agua instantáneos, válvulas de llenado de lavadoras automáticas, etc.) simplemente no funcionan si la presión en el suministro de agua es inferior a 0,3 atmósferas. Además, deben tenerse en cuenta las pérdidas hidráulicas en el propio dispositivo.
En la foto - calentador de agua instantáneo Atmor Basic. Incluye calentamiento solo a una presión de 0,3 kgf / cm2 y superior.
Consumo, diámetro, velocidad
Déjame recordarte que están vinculados por dos fórmulas:
- Q = SV... El caudal de agua en metros cúbicos por segundo es igual al área de la sección transversal en metros cuadrados multiplicado por el caudal en metros por segundo;
- S = π r ^ 2. El área de la sección transversal se calcula como el producto de pi por el cuadrado del radio.
¿Dónde puedo obtener los valores del radio de la sección interior?
- Para tubos de acero, con un error mínimo, es igual a la mitad del control remoto(paso condicional, que marca la tubería enrollada);
- Para polímero, metal-polímero, etc. el diámetro interior es igual a la diferencia entre el exterior, con el que están marcadas las tuberías, y el doble del grosor de la pared (también suele estar presente en el marcado). El radio es correspondientemente la mitad del diámetro interior.
- El diámetro interior es 50-3 * 2 = 44 mm, o 0,044 metros;
- El radio será 0.044 / 2 = 0.022 metros;
- El área de la sección interna será 3.1415 * 0.022 ^ 2 = 0.001520486 m2;
- A un caudal de 1,5 metros por segundo, el caudal será 1,5 * 0,001520486 = 0,002280729 m3 / s, o 2,3 litros por segundo.
Perdida de cabeza
¿Cómo calcular cuánta presión se pierde en un sistema de suministro de agua con parámetros conocidos?
La fórmula más simple para calcular la caída de la cabeza es H = iL (1 + K). ¿Qué significan las variables que contiene?
- H es la codiciada caída de cabeza en metros;
- I - pendiente hidráulica del medidor de suministro de agua;
- L es la longitud del sistema de suministro de agua en metros;
- K - coeficiente, que permite simplificar el cálculo de la caída de presión en las válvulas de cierre y. Está vinculado al propósito de la red de suministro de agua.
¿Dónde puedo obtener los valores de estas variables? Bueno, excepto por la longitud de la tubería, nadie ha cancelado la cinta métrica todavía.
El coeficiente K se toma igual a:
| Tipo de suministro de agua | A |
| Bombero | 0,1 |
| Bombero industrial | 0,15 |
| Industrial o extinción de incendios | 0,2 |
En algunos casos, debe lidiar con la necesidad de calcular el flujo de agua a través de la tubería. Este indicador indica cuánta agua puede pasar la tubería, medida en m³ / s.
- Para las organizaciones que no han suministrado el medidor de agua, el cargo se basa en la contabilización de la permeabilidad de la tubería. Es importante saber con qué precisión se calculan estos datos, por qué y a qué tasa tiene que pagar. Esto no se aplica a los particulares, para ellos, en ausencia de un medidor, el número de personas registradas se multiplica por el consumo de agua por 1 persona de acuerdo con las normas sanitarias. Este es un volumen bastante grande y, con las tarifas modernas, es mucho más rentable suministrar un medidor. De manera similar, en nuestro tiempo, a menudo es más rentable calentar el agua usted mismo con una columna que pagar los servicios públicos por el agua caliente.
- El cálculo de la permeabilidad de la tubería juega un papel muy importante. al diseñar una casa, al conectar las comunicaciones a la casa .
Es importante asegurarse de que cada rama del sistema de suministro de agua pueda recibir su parte de la tubería principal incluso durante las horas pico de flujo. El sistema de suministro de agua está diseñado para brindar comodidad, conveniencia y facilidad de trabajo para una persona.
Si todas las tardes los vecinos de los pisos superiores prácticamente no llegan al agua, ¿de qué confort podemos hablar? ¿Cómo se puede tomar té, lavar platos, nadar? Y todo el mundo toma té y se baña, por lo que la cantidad de agua que podía aportar la tubería se repartía por los pisos inferiores. Este problema puede jugar un papel muy malo en la extinción de incendios. Si los bomberos se conectan a la tubería central y no hay presión en ella.
A veces, calcular el flujo de agua a través de una tubería puede ser útil si, después de reparar el sistema de suministro de agua por parte de los posibles maestros, reemplazando parte de las tuberías, la presión ha disminuido significativamente.
Los cálculos hidrodinámicos no son fáciles y suelen ser realizados por profesionales cualificados. Pero digamos que se dedica a la construcción privada, diseñando su acogedora casa espaciosa.
¿Cómo calcular usted mismo el flujo de agua a través de la tubería?
Parecería que basta con conocer el diámetro del orificio de la tubería para obtener, tal vez, cifras redondeadas, pero en general justas. Por desgracia, esto es muy poco. Otros factores pueden cambiar el resultado de los cálculos en ocasiones. ¿Qué afecta el caudal máximo de agua a través de la tubería?
- Sección de tubería... Un factor obvio. El punto de partida para los cálculos de dinámica de fluidos.
- Presión de la tubería... Al aumentar la presión, pasa más agua a través de una tubería con la misma sección transversal.
- Curvas, vueltas, diámetros, bifurcaciones inhibir el movimiento del agua a través de la tubería. Diferentes opciones en diversos grados.
- Longitud de la tubería... Las tuberías más largas transportarán menos agua por unidad de tiempo que las más cortas. El secreto es la fricción. Así como retrasa el movimiento de objetos que nos son familiares (coches, bicicletas, trineos, etc.), la fuerza de fricción impide el paso del agua.
- Una tubería con un diámetro menor resulta tener más área de contacto del agua con la superficie de la tubería en relación al volumen de flujo de agua. Y desde cada punto de contacto, aparece una fuerza de fricción. Al igual que en las tuberías más largas, en las tuberías más estrechas la velocidad del movimiento del agua se vuelve más lenta.
- Material de la tubería... Obviamente, el grado de rugosidad del material afecta la magnitud de la fuerza de fricción. Los materiales plásticos modernos (polipropileno, PVC, metal-plástico, etc.) son muy resbaladizos en comparación con el acero tradicional y permiten que el agua se mueva más rápido.
- Duración de la operación de la tubería... Los depósitos de cal y el óxido perjudican en gran medida la capacidad de flujo del sistema de suministro de agua. Este es el factor más complicado, porque el grado de obstrucción de la tubería, su nuevo relieve interno y el coeficiente de fricción son muy difíciles de calcular con precisión matemática. Afortunadamente, los cálculos del flujo de agua se requieren con mayor frecuencia para construcciones nuevas y materiales frescos sin usar. Por otro lado, este sistema estará conectado a las comunicaciones existentes que llevan muchos años existiendo. ¿Y cómo se comportará ella misma en 10, 20, 50 años? La última tecnología ha mejorado enormemente esta situación. Las tuberías de plástico no se oxidan, su superficie prácticamente no se deteriora con el tiempo.
Cálculo del flujo de agua a través del grifo.
El volumen del líquido que sale se calcula multiplicando la sección de la abertura de la tubería S por la velocidad de salida V. La sección es el área de una cierta parte de la figura volumétrica, en este caso, el área de un círculo. . Encontrado por la fórmula S = πR2... R será el radio del orificio de la tubería, que no debe confundirse con el radio de la tubería. π es una constante, la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro, aproximadamente 3,14.
La tasa de salida se calcula mediante la fórmula de Torricelli :. Donde g es la aceleración debida a la gravedad, en el planeta Tierra es de aproximadamente 9,8 m / s. h es la altura de la columna de agua sobre el agujero.
Ejemplo
Calculemos el caudal de agua a través de un grifo con una abertura con un diámetro de 0.01 my una altura de columna de 10 m.
Sección del agujero = πR2 = 3,14 x 0,012 = 3,14 x 0,0001 = 0,000314 m2.
Velocidad de salida = √2gh = √2 x 9,8 x 10 = √196 = 14 m / s.
Caudal de agua = SV = 0,000314 x 14 = 0,004396 m³ / s.
Traducido a litros, resulta que 4,396 litros por segundo pueden salir de una tubería determinada.
Se consumen grandes cantidades de agua en las empresas, así como en apartamentos y casas. Las cifras son enormes, pero ¿pueden decir algo más que el hecho de un cierto gasto? Sí pueden. Es decir, el caudal de agua puede ayudar a calcular el diámetro de la tubería. Estos son parámetros aparentemente no relacionados, pero de hecho la relación es obvia.
Después de todo, el rendimiento del sistema de suministro de agua depende de muchos factores. Un lugar importante en esta lista lo ocupa el diámetro de las tuberías, así como la presión en el sistema. Echemos un vistazo más profundo a este tema.
Factores que afectan la permeabilidad del agua a través de la tubería.
El caudal de agua a través de una tubería circular con un orificio depende del tamaño de este orificio. Por lo tanto, cuanto más grande sea, más agua pasará por la tubería en un cierto período de tiempo. Sin embargo, no se olvide de la presión. Se puede dar un ejemplo. Un pilar de un metro empujará el agua a través de un agujero de un centímetro mucho menos por unidad de tiempo que un pilar con una altura de varias decenas de metros. Es obvio. Por tanto, el consumo de agua alcanzará su máximo en la máxima sección interna del producto, así como en la máxima presión.
Cálculo de diámetro
Si necesita obtener un cierto caudal de agua en la salida del sistema de suministro de agua, no puede hacerlo sin calcular el diámetro de la tubería. Después de todo, este indicador, junto con los demás, tiene un impacto en el indicador de rendimiento.
Por supuesto, hay tablas especiales que se encuentran en la Web y en la literatura especializada que le permiten omitir los cálculos, enfocándose en ciertos parámetros. Sin embargo, no se debe esperar una alta precisión de dichos datos, el error seguirá estando presente, incluso si se tienen en cuenta todos los factores. Por lo tanto, la mejor manera de obtener resultados precisos es calcularlo usted mismo.
Para hacer esto, necesita los siguientes datos:
- Consumo de agua.
- Pérdida de carga desde el punto de partida hasta el punto de consumo.
No es necesario calcular el consumo de agua; existe un estándar digital. Puede tomar los datos en el mezclador, que dice que se consumen alrededor de 0,25 litros por segundo. Esta cifra se puede utilizar para cálculos.
Un parámetro importante para obtener datos precisos es la pérdida de carga en el sitio. Como sabe, la presión de cabeza en los elevadores de suministro de agua estándar está en el rango de 1 a 0,6 atmósferas. El indicador promedio es 1.5-3 atm. El parámetro depende de la cantidad de pisos de la casa. Pero esto no significa que cuanto más alta sea la casa, mayor será la presión en el sistema. En edificios muy altos (más de 16 pisos de altura), a veces se usa la división del piso para normalizar la presión.
En cuanto a la pérdida de carga, esta cifra se puede calcular mediante manómetros en el punto de partida y antes del punto de consumo.
Sin embargo, si el conocimiento y la paciencia para el auto cálculo no son suficientes, puede usar datos tabulares. Y aunque tienen ciertos errores, los datos serán lo suficientemente precisos para determinadas condiciones. Y luego, según el caudal de agua, será muy sencillo y rápido obtener el diámetro de la tubería. Esto significa que el sistema de suministro de agua se calculará correctamente, lo que le permitirá obtener tal cantidad de líquido que satisfará sus necesidades.
¿Por qué necesitamos tales cálculos?
Al elaborar un plan para la construcción de una casa de campo grande con varios baños, un hotel privado, la organización de un sistema contra incendios, es muy importante tener información más o menos precisa sobre las capacidades de transporte de la tubería existente, teniendo en cuenta su diámetro y presión en el sistema. Se trata de fluctuaciones de presión durante el pico de consumo de agua: tales fenómenos afectan de manera bastante seria la calidad de los servicios prestados.
Además, si el sistema de suministro de agua no está equipado con medidores de agua, al pagar los servicios públicos, el llamado. "Viabilidad de la tubería". En este caso, la cuestión de los aranceles aplicados en este caso es bastante lógica.
Es importante comprender que la segunda opción no se aplica a locales privados (apartamentos y cabañas), donde, en ausencia de medidores, al calcular el pago, se tienen en cuenta los estándares sanitarios: generalmente es de hasta 360 l / día por persona.
¿Qué determina la permeabilidad de la tubería?
¿Qué determina el caudal de agua en una tubería circular? Se tiene la impresión de que la búsqueda de una respuesta no debe causar dificultades: cuanto mayor sea la sección transversal de la tubería, mayor será el volumen de agua que podrá pasar en un tiempo determinado. Al mismo tiempo, también se recuerda la presión, porque cuanto más alta sea la columna de agua, más rápido se forzará el agua a través de la comunicación. Sin embargo, la práctica muestra que estos están lejos de todos los factores que afectan el consumo de agua.
Además de ellos, también se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
- Longitud de la tubería... Con un aumento de su longitud, el agua roza sus paredes con más fuerza, lo que provoca una ralentización del flujo. De hecho, al comienzo del sistema, el agua se ve afectada exclusivamente por la presión, pero también es importante la rapidez con la que las siguientes porciones tendrán la oportunidad de ingresar a la comunicación. Frenado dentro de la tubería a menudo alcanza valores altos.
- El consumo de agua depende del diámetro. en un grado mucho más complejo de lo que parece a primera vista. Cuando el diámetro de la tubería es pequeño, las paredes resisten el flujo de agua en un orden de magnitud más que en los sistemas más gruesos. Como resultado, a medida que disminuye el diámetro de la tubería, disminuye su ventaja en términos de la relación entre el caudal y el índice de área interna en la sección de longitud fija. En pocas palabras, una tubería de agua gruesa transporta agua mucho más rápido que una delgada.
- Material de fabricación... Otro punto importante que incide directamente en la velocidad del movimiento del agua a través de la tubería. Por ejemplo, el propileno liso es mucho más propicio para el deslizamiento del agua que las paredes de acero rugoso.
- Duración del servicio... Con el tiempo, aparece óxido en las tuberías de acero. Además, es típico que el acero, así como el hierro fundido, acumulen gradualmente depósitos de cal. La resistencia al flujo de agua de las tuberías con depósitos es mucho mayor que la de los nuevos productos de acero: esta diferencia a veces llega a 200 veces. Además, el crecimiento excesivo de la tubería conduce a una disminución de su diámetro: incluso si no tenemos en cuenta el aumento de la fricción, su permeabilidad disminuye claramente. También es importante tener en cuenta que los productos de plástico y metal-plástico no tienen tales problemas: incluso después de décadas de uso intensivo, el nivel de su resistencia a los flujos de agua permanece en el nivel original.
- La presencia de giros, accesorios, adaptadores, válvulas. contribuye a la inhibición adicional de los flujos de agua.
Todos los factores anteriores deben tenerse en cuenta, porque no estamos hablando de pequeños errores, sino de una seria diferencia varias veces. Como conclusión, podemos decir que una simple determinación del diámetro de la tubería a partir del caudal de agua es prácticamente imposible.
Nueva capacidad para calcular el consumo de agua
Si el uso de agua se realiza mediante un grifo, esto simplifica enormemente la tarea. Lo principal en este caso es que las dimensiones del orificio de salida son mucho más pequeñas que el diámetro del suministro de agua. En este caso, se aplica la fórmula para calcular el agua sobre la sección transversal de la tubería Torricelli v ^ 2 = 2gh, donde v es la velocidad del flujo a través de un orificio pequeño, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura de la columna de agua sobre el grifo (un orificio con una sección transversal s, por unidad de tiempo pasa el volumen de agua s * v). Es importante recordar que el término "sección" no se usa para denotar el diámetro, sino su área. Para calcularlo, use la fórmula pi * r ^ 2.
Si la columna de agua tiene 10 metros de altura y el agujero tiene 0,01 m de diámetro, el flujo de agua a través de la tubería a una presión de una atmósfera se calcula de la siguiente manera: v ^ 2 = 2 * 9,78 * 10 = 195,6. Después de extraer la raíz cuadrada, sale v = 13,98570698963767. Después de redondear para obtener una lectura de velocidad más simple, el resultado es 14 m / s. La sección transversal de un agujero que tiene un diámetro de 0.01 m se calcula de la siguiente manera: 3.14159265 * 0.01 ^ 2 = 0.000314159265 m2. Como resultado, resulta que el caudal máximo de agua a través de la tubería corresponde a 0,000314159265 * 14 = 0,00439822971 m3 / s (un poco menos de 4,5 litros de agua / segundo). Como puede ver, en este caso, el cálculo del agua sobre la sección transversal de la tubería es bastante simple de realizar. También en el dominio público hay tablas especiales que indican el consumo de agua para los sanitarios más populares, con un valor mínimo del diámetro de la tubería de agua.
Como ya puede comprender, no existe una forma simple universal de calcular el diámetro de la tubería en función del caudal de agua. Sin embargo, aún puede derivar ciertos indicadores por sí mismo. Esto es especialmente cierto si el sistema está equipado con tuberías de plástico o metal-plástico y el agua es consumida por grifos con una pequeña sección de salida. En algunos casos, este método de cálculo es aplicable a sistemas de acero, pero estamos hablando principalmente de nuevas tuberías de agua, que no tuvieron tiempo de cubrirse con depósitos internos en las paredes.