Cálculo de tuberías simples y complejas. Cálculo hidráulico de tuberías Cálculo hidráulico de tuberías método para determinar el caudal

Las tuberías para el transporte de diversos líquidos son parte integrante de unidades e instalaciones en las que se llevan a cabo procesos de trabajo relacionados con diversos campos de aplicación. A la hora de elegir las tuberías y su configuración, el coste tanto de las tuberías como de los accesorios de las mismas es de gran importancia. El coste final de bombear un medio a través de una tubería está determinado en gran medida por las dimensiones de las tuberías (diámetro y longitud). El cálculo de estos valores se realiza mediante fórmulas especialmente desarrolladas y específicas para determinados tipos de operación.

Una tubería es un cilindro hueco hecho de metal, madera u otro material que se utiliza para transportar medios líquidos, gaseosos y granulados. El medio transportado puede ser agua, gas natural, vapor, productos derivados del petróleo, etc. Las tuberías se utilizan en todas partes, desde diversas industrias hasta uso doméstico.

Se puede utilizar una variedad de materiales para fabricar tuberías, como acero, hierro fundido, cobre, cemento, plástico como plástico ABS, cloruro de polivinilo, cloruro de polivinilo clorado, polibuteno, polietileno, etc.

Los principales indicadores dimensionales de una tubería son su diámetro (externo, interno, etc.) y el espesor de la pared, que se miden en milímetros o pulgadas. También se utiliza un valor como el diámetro nominal o el diámetro interior nominal: el valor nominal del diámetro interno de la tubería, también medido en milímetros (indicado por DN) o pulgadas (indicado por DN). Los valores de los diámetros nominales están estandarizados y son el criterio principal a la hora de seleccionar tuberías y accesorios de conexión.

Correspondencia de valores de diámetro nominal en mm y pulgadas:

Se prefiere una tubería con una sección transversal circular a otras secciones geométricas por varias razones:

Un círculo tiene una relación mínima entre perímetro y área, y cuando se aplica a una tubería, esto significa que con el mismo rendimiento, el consumo de material de las tuberías redondas será mínimo en comparación con las tuberías de otras formas. Esto también implica los menores costes posibles en aislamiento y revestimiento protector;
Una sección transversal circular es más ventajosa para mover un medio líquido o gaseoso desde un punto de vista hidrodinámico. Además, debido al mínimo área interna posible de la tubería por unidad de su longitud, se minimiza la fricción entre el medio en movimiento y la tubería.
La forma redonda es más resistente a presiones internas y externas;
El proceso de fabricación de tubos redondos es bastante sencillo y fácil de implementar.

Las tuberías pueden variar mucho en diámetro y configuración según su propósito y aplicación. Así, las tuberías principales para el transporte de agua o productos petrolíferos pueden alcanzar casi medio metro de diámetro con una configuración bastante sencilla, y los serpentines de calefacción, también tuberías, de pequeño diámetro, tienen una forma compleja con muchas vueltas.

Es imposible imaginar cualquier industria sin una red de oleoductos. El cálculo de cualquier red de este tipo incluye la selección del material de las tuberías, la elaboración de una especificación que enumera datos sobre el espesor, tamaño de las tuberías, recorrido, etc. Las materias primas, los productos intermedios y/o los productos terminados pasan por las etapas de producción moviéndose entre diversos aparatos e instalaciones, que están conectados por tuberías y accesorios. El cálculo, la selección y la instalación correctos del sistema de tuberías son necesarios para la implementación confiable de todo el proceso, garantizando un bombeo seguro del medio, así como para sellar el sistema y evitar fugas de la sustancia bombeada a la atmósfera.

No existe una fórmula o regla única que pueda usarse para seleccionar tuberías para cada aplicación y entorno operativo posible. En cada aplicación individual de tuberías hay una serie de factores que requieren consideración y pueden tener un impacto significativo en los requisitos de la tubería. Por ejemplo, cuando se trata de lodos, una tubería grande no sólo aumentará el costo de instalación, sino que también creará dificultades operativas.

Normalmente, las tuberías se seleccionan después de optimizar los costos de material y operación. Cuanto mayor sea el diámetro de la tubería, es decir, mayor será la inversión inicial, menor será la caída de presión y, en consecuencia, menores serán los costos operativos. Por el contrario, el pequeño tamaño de la tubería reducirá los costos primarios de las propias tuberías y accesorios de tubería, pero un aumento de velocidad implicará un aumento de las pérdidas, lo que conducirá a la necesidad de gastar energía adicional en el bombeo del medio. Los límites de velocidad fijados para diversas aplicaciones se basan en condiciones óptimas de diseño. El tamaño de las tuberías se calcula utilizando estas normas teniendo en cuenta las áreas de aplicación.

Diseño de tuberías

Al diseñar tuberías, se toman como base los siguientes parámetros básicos de diseño:

desempeño requerido;
puntos de entrada y salida del oleoducto;
composición del medio, incluida la viscosidad y la gravedad específica;
condiciones topográficas del trazado del oleoducto;
presión de funcionamiento máxima permitida;
cálculo hidráulico;
diámetro de la tubería, espesor de la pared, límite elástico a la tracción del material de la pared;
número de estaciones de bombeo, distancia entre ellas y consumo de energía.

Fiabilidad de la tubería

La confiabilidad en el diseño de tuberías se garantiza mediante el cumplimiento de estándares de diseño adecuados. Además, la formación del personal es un factor clave para garantizar una larga vida útil de la tubería y su estanqueidad y fiabilidad. El monitoreo continuo o periódico del funcionamiento de la tubería se puede realizar mediante sistemas de monitoreo, contabilidad, control, regulación y automatización, dispositivos personales de monitoreo de producción y dispositivos de seguridad.

Recubrimiento adicional para tuberías

Se aplica un revestimiento resistente a la corrosión en el exterior de la mayoría de las tuberías para evitar los efectos dañinos de la corrosión del ambiente externo. En el caso de bombear medios corrosivos, también se puede aplicar una capa protectora a la superficie interior de las tuberías. Antes de su puesta en servicio, todas las tuberías nuevas destinadas al transporte de líquidos peligrosos se comprueban para detectar defectos y fugas.

Principios básicos para calcular el flujo en una tubería.

La naturaleza del flujo del medio en la tubería y cuando fluye alrededor de obstáculos puede variar mucho de un líquido a otro. Uno de los indicadores importantes es la viscosidad del medio, caracterizada por un parámetro como el coeficiente de viscosidad. El ingeniero físico irlandés Osborne Reynolds llevó a cabo una serie de experimentos en 1880, a partir de cuyos resultados pudo derivar una cantidad adimensional que caracteriza la naturaleza del flujo de un fluido viscoso, llamada criterio de Reynolds y denotada como Re.

Re = (v·L·ρ)/μ

Dónde:
ρ—densidad del líquido;
v—velocidad del flujo;
L es la longitud característica del elemento de flujo;
μ - coeficiente de viscosidad dinámica.

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 proporción de estos tipos de fuerzas, lo que, a su vez, afecta la naturaleza del flujo de fluido. En este sentido, se acostumbra distinguir tres regímenes de flujo en función del valor del criterio de Reynolds. En 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 23004000, ya se observa un régimen estable, caracterizado por un cambio aleatorio en la velocidad y dirección del flujo en cada punto individual, lo que en total iguala los caudales en todo el volumen. Este régimen se llama turbulento. El número de Reynolds depende de la presión establecida por la bomba, la viscosidad del medio a la temperatura de funcionamiento, así como del tamaño y la forma de la sección transversal de la tubería a través de la cual pasa el flujo.

Perfil de velocidad del flujo
modo laminar	régimen transitorio	régimen turbulento

Carácter de la corriente
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, y a veces incluso imposible, estudiar la naturaleza de los flujos de fluidos en dispositivos reales debido a su gran tamaño.

Cálculo de tuberías. Cálculo del diámetro de la tubería.

Si la tubería no está aislada térmicamente, es decir, es posible el intercambio de calor entre el fluido que se mueve y el medio ambiente, entonces la naturaleza del flujo en ella puede cambiar incluso a una velocidad (flujo) constante. Esto es posible si el medio bombeado en la entrada tiene una temperatura suficientemente alta y fluye en modo turbulento. A lo largo de la tubería, la temperatura del medio transportado disminuirá debido a las pérdidas de calor al medio ambiente, lo que puede provocar un cambio en el régimen de flujo a laminar o de transición. La temperatura a la que se produce un cambio de régimen se denomina temperatura crítica. El valor de la viscosidad del líquido depende directamente de la temperatura, por lo que para tales casos se utiliza 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)

Dónde:
ν cr - viscosidad cinemática crítica;
Re cr - valor crítico del criterio de Reynolds;
D - diámetro de la tubería;
v - velocidad del flujo;
Q - consumo.

Otro factor importante es la fricción que se produce entre las paredes de la tubería y el flujo en movimiento. 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 a partir de los cuales se determina el coeficiente de fricción.

(√λ ) -1 = -2 log(2,51/(Re √λ ) + k/(3,71 d))

Dónde:
k - coeficiente de rugosidad de la tubería;
λ - coeficiente de fricción.

También existen otras fórmulas para el cálculo aproximado de las pérdidas por fricción durante el flujo de líquido a presión 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. Las pérdidas por fricción son función de la velocidad del fluido y la resistencia de la tubería al movimiento del fluido, expresadas a través del valor de la rugosidad de la pared de la tubería.

∆H = λ L/d v²/(2 g)

Dónde:
ΔH - pérdida de presión;
λ - coeficiente de fricción;
L es la longitud de la sección de tubería;
d - diámetro de la tubería;
v - velocidad del flujo;
g es la aceleración de la caída libre.

La pérdida de presión debida a la fricción del agua se calcula mediante la fórmula de Hazen-Williams.

∆H = 11,23 L 1/C 1,85 Q 1,85 /D 4,87

Dónde:
ΔH - pérdida de presión;
L es la longitud de la sección de tubería;
C es el coeficiente de rugosidad de Heisen-Williams;
Q - caudal;
D - diámetro de la tubería.

Presión

La presión de funcionamiento de una 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 operativa de la tubería, 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.

La presión nominal PN es el valor nominal correspondiente a la presión máxima del medio de trabajo a 20 °C, a la que es posible el funcionamiento prolongado de una tubería con las dimensiones indicadas.

A medida que aumenta la temperatura, disminuye la capacidad de carga de la tubería y, por tanto, también la sobrepresión admisible. El valor pe,zul muestra la presión máxima (gp) en el sistema de tuberías a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento.

Tabla de excesos de presión permitidos:

Cálculo de la caída de presión en una tubería.

La caída de presión en la tubería se calcula mediante la fórmula:

∆p = λ L/d ρ/2 v²

Dónde:
Δp - caída de presión a través de la sección de la tubería;
L es la longitud de la sección de tubería;
λ - coeficiente de fricción;
d - diámetro de la tubería;
ρ - densidad del medio bombeado;
v - velocidad del flujo.

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, los oleoductos se utilizan para transportar una amplia gama de hidrocarburos y sus mezclas, que difieren mucho en propiedades químicas y físicas. El petróleo crudo se puede transportar a distancias mayores desde campos terrestres o plataformas petrolíferas marinas hasta terminales, puntos intermedios y refinerías.

Los oleoductos también transmiten:

productos derivados del petróleo como gasolina, combustible de aviación, queroseno, combustible diésel, fueloil, etc.;
materias primas petroquímicas: benceno, estireno, propileno, etc.;
hidrocarburos aromáticos: xileno, tolueno, cumeno, etc.;
combustibles de petróleo licuados como gas natural licuado, gas de petróleo licuado, propano (gases a temperatura y presión estándar pero licuados usando presión);
dióxido de carbono, amoníaco líquido (transportado como líquido bajo presión);
el betún y los combustibles viscosos son demasiado viscosos para ser transportados por oleoductos, por lo que se utilizan fracciones destiladas de petróleo para diluir estas materias primas y obtener una mezcla que pueda transportarse por oleoductos;
hidrógeno (distancias cortas).

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 entorno 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 bajo mayor presión y, cuando se alcanza una determinada presión, algunos gases pueden incluso licuarse. Por lo tanto, el grado de compresión del medio es un parámetro crítico para diseñar tuberías y determinar el rendimiento.

La temperatura tiene un efecto indirecto y directo sobre el rendimiento de la tubería. Esto se expresa en el hecho de que el líquido aumenta de volumen al aumentar la temperatura, siempre que la presión permanezca constante. Las temperaturas más bajas también pueden tener un impacto tanto en el rendimiento como en la eficiencia general del sistema. Normalmente, cuando la temperatura de un fluido disminuye, esto va acompañado de un aumento en su viscosidad, lo que crea una resistencia de fricción adicional en la pared interna de la tubería, lo que requiere más energía para bombear la misma cantidad de fluido. Los medios muy viscosos son sensibles a los cambios en las temperaturas de funcionamiento. La viscosidad es la resistencia de un medio a fluir y se mide en centistokes cSt. La viscosidad determina no sólo la elección de la bomba, sino también la distancia entre las estaciones de bombeo.

Tan pronto como la temperatura del fluido cae por debajo del punto de fluidez, el funcionamiento de la tubería se vuelve imposible y se toman varias opciones para restablecer su funcionamiento:

calentar el medio o aislar tuberías para mantener la temperatura de funcionamiento del medio por encima de su punto de fluido;
cambio en la composición química del medio antes de ingresar a la tubería;
Dilución del medio transportado con agua.

Tipos de tuberías principales

Las tuberías principales se fabrican soldadas o sin costura. Los tubos de acero sin costura se producen sin soldaduras longitudinales en secciones de acero que se tratan térmicamente para lograr el tamaño y las propiedades deseadas. Los tubos soldados se producen mediante varios procesos de fabricación. Los dos tipos se diferencian entre sí por el número de costuras longitudinales del tubo y el tipo de equipo de soldadura utilizado. La tubería de acero soldada es el tipo más utilizado en aplicaciones petroquímicas.

Cada tramo de tubería se suelda para formar una tubería. También en las tuberías principales, según la aplicación, se utilizan tuberías de fibra de vidrio, plásticos diversos, fibrocemento, etc.

Para conectar tramos de tubería rectos, así como para la transición entre tramos de tubería de diferentes diámetros, se utilizan elementos de conexión especialmente fabricados (codos, codos, válvulas).

codo 90°	curva de 90°	rama de transición	derivación

codo 180°	doblar 30°	conector adaptador	consejo

Se utilizan conexiones especiales para instalar partes individuales de tuberías y accesorios.

soldado	bridado	roscado	acoplamiento

Expansión de temperatura de la tubería.

Cuando una tubería está bajo presión, toda su superficie interna queda expuesta 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 a 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 un exceso de tensión, lo que es peligroso para la resistencia de la tubería tanto en el material de la tubería como en las conexiones de las bridas. Las fluctuaciones en la temperatura del medio bombeado también crean estrés térmico en la tubería, que puede transmitirse a los accesorios, a la estación de bombeo, etc. Esto puede provocar una despresurización de las juntas de la tubería, fallas de los accesorios u otros elementos.

Cálculo de dimensiones de tuberías con cambios de temperatura.

El cálculo de los cambios en las dimensiones lineales de la tubería con cambios de temperatura se realiza mediante la fórmula:

∆L = a·L·∆t

a - coeficiente de expansión térmica, mm/(m°C) (ver tabla a continuación);
L - longitud de la tubería (distancia entre soportes fijos), m;
Δt - diferencia entre máx. y mín. Temperatura del medio bombeado, °C.

Tabla de expansión lineal de tuberías de diversos materiales.

Los números indicados representan valores promedio para los materiales enumerados y para calcular una tubería hecha 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 ficha técnica adjunta.

El alargamiento térmico de las tuberías se elimina tanto mediante el uso de secciones de compensación especiales de la tubería como con la ayuda de compensadores, que pueden consistir en partes elásticas o móviles.

Las secciones de compensación consisten en partes elásticas rectas de la tubería, ubicadas perpendiculares entre sí y aseguradas con curvas. Durante el alargamiento térmico, el aumento en una parte se compensa mediante la deformación por flexión de la otra parte en el plano o por la deformación por flexión y torsión en el espacio. Si la propia tubería compensa la expansión térmica, esto se denomina autocompensación.

La compensación también se produce gracias a las curvaturas elásticas. Parte del alargamiento se compensa por la elasticidad de las curvas, la otra parte se elimina debido a las propiedades elásticas del material de la zona situada detrás de la curva. Los compensadores se instalan donde no es posible utilizar tramos de compensación o cuando la autocompensación de la tubería es insuficiente.

Según su diseño y principio de funcionamiento, los compensadores son de cuatro tipos: en forma de U, de lente, ondulados y prensaestopas. En la práctica se suelen utilizar compensadores planos con forma de L, Z o U. En el caso de los compensadores espaciales, normalmente representan 2 secciones planas perpendiculares entre sí y tienen un hombro común. Las juntas de dilatación elásticas se fabrican a partir de tubos, discos elásticos o fuelles.

Determinación del tamaño óptimo del diámetro de la tubería.

El diámetro óptimo de la tubería se puede encontrar basándose en cálculos técnicos y económicos. Las dimensiones de la tubería, incluido el tamaño y la funcionalidad de los diversos componentes, así como las condiciones bajo las cuales debe operarse, determinan la capacidad de transporte del sistema. Los tamaños de tubería más grandes son adecuados para flujos másicos más altos, siempre que otros componentes del sistema se seleccionen y dimensionen adecuadamente para estas condiciones. Normalmente, cuanto más larga sea la sección de la tubería principal entre las estaciones de bombeo, mayor será la caída de presión en la tubería. Además, los cambios en las características físicas del medio bombeado (viscosidad, etc.) también pueden tener un gran impacto en la presión en la línea.

El tamaño óptimo es el tamaño de tubería más pequeño adecuado para una aplicación particular que sea rentable durante la vida útil del sistema.

Fórmula para calcular el rendimiento de la tubería:

Q = (πd²)/4v

Q es el caudal del líquido bombeado;
d - diámetro de la tubería;
v - velocidad del flujo.

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:

Medio bombeado		Rango de velocidades óptimas en la tubería, m/s
Líquidos	Movimiento por gravedad:
	Líquidos viscosos	0,1 - 0,5
	Líquidos de baja viscosidad	0,5 - 1
	Bombeo:
	Lado de succión	0,8 - 2
	Lado de descarga	1,5 - 3

gases	antojo natural	2 - 4
	Baja presión	4 - 15
	Gran presión	15 - 25

parejas	Vapor supercalentado	30 - 50
	Vapor saturado bajo presión:
	Más de 105Pa	15 - 25
	(1 - 0,5) 105Pa	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:

re o = √((4 Q) / (π v o ))

Q es el caudal especificado del líquido bombeado;
d - diámetro óptimo de la tubería;
v es el caudal óptimo.

A caudales elevados se suelen utilizar tuberías de menor diámetro, lo que significa menores costes de compra de la tubería, su mantenimiento y trabajos de instalación (indicados por K 1). A medida que aumenta la velocidad, aumenta la pérdida de presión debido a la fricción y la resistencia local, lo que conduce a un aumento en el costo de bombear líquido (indicado por K 2).

Para tuberías de gran diámetro, los costos K 1 serán mayores y los costos operativos K 2 serán menores. Si sumamos los valores de K 1 y K 2, obtenemos los costos mínimos totales K y el diámetro óptimo de la tubería. Los costos K 1 y K 2 en este caso se dan en el mismo período de tiempo.

Cálculo (fórmula) de los costos de capital de un oleoducto.

K 1 = (m·C M ·K M)/n

m - masa de la tubería, t;
C M - coste de 1 t, rub/t;
K M - coeficiente que aumenta el costo del trabajo de instalación, por ejemplo 1,8;
n - vida útil, años.

Los costos operativos indicados asociados al consumo de energía son:

K 2 = 24 N n día C E frotar/año

N - potencia, kW;
n DN - número de días hábiles por año;
S E - costes por kWh de energía, frotar/kW * h.

Fórmulas para determinar las dimensiones de la tubería.

Un ejemplo de fórmulas generales para determinar el tamaño de tuberías sin tener en cuenta posibles factores de impacto adicionales como erosión, sólidos en suspensión, etc.:

Nombre	La ecuacion	Posibles restricciones
Flujo de líquido y gas bajo presión.
Pérdida de cabeza por fricción. Darcy Weisbach	d = 12 [(0.0311 f L Q 2)/(h f)] 0.2	Q - flujo volumétrico, gal/min; d - diámetro interno de la tubería; hf - pérdida de presión por fricción; L - longitud de la tubería, pies; f - coeficiente de fricción; V - velocidad del flujo.
Ecuación del flujo total de fluido.	d = 0,64 √(Q/V)	Q - flujo volumétrico, gal/min
Tamaño de la línea de succión de la bomba para limitar la pérdida de carga por fricción	d = √(0.0744·Q)	Q - flujo volumétrico, gal/min
Ecuación del flujo total de gas	d = 0,29 √((Q T)/(P V))	Q - flujo volumétrico, pies³/min T - temperatura, K P - presión lb/in² (abs); V-velocidad
Flujo gravitacional
Ecuación de Manning para calcular el diámetro de la tubería para flujo máximo	d = 0,375	Q - flujo volumétrico; n - coeficiente de rugosidad; S - pendiente.
El número de Froude es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de gravedad.	Fr = V / √[(d/12) g]	g - aceleración de caída libre; v - velocidad del flujo; 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 - flujo másico; Vg - volumen específico de vapor saturado; x - calidad del vapor; V - velocidad.

Caudales óptimos para varios sistemas de tuberías

El tamaño óptimo de la tubería se selecciona en función del costo mínimo de bombear el medio a través de la tubería y el costo de las tuberías. Sin embargo, también hay que tener en cuenta los límites de velocidad. A veces, el tamaño de la tubería debe coincidir con los requisitos del proceso. Además, el tamaño de la tubería suele estar relacionado con la caída de presión. En los cálculos preliminares del diseño, donde no se tienen en cuenta las pérdidas de presión, el tamaño de la tubería de proceso está determinado por la velocidad permitida.

Si se producen 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, densidad y presión inicial del fluido. Debido a que la velocidad es inversamente proporcional al diámetro, los fluidos de alta velocidad requieren una consideración especial al seleccionar el tamaño y la configuración de la tubería. El tamaño óptimo de la tubería, por ejemplo para ácido sulfúrico, limita la velocidad del medio a un valor en el que no se permite la erosión de las paredes en los codos de la tubería, evitando así daños a la estructura de la tubería.

Flujo de fluido por gravedad

Calcular el tamaño de una 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 monofásico (tubo lleno) y bifásico (llenado parcial). El flujo de dos fases se forma cuando hay líquido y gas simultáneamente 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)	flujo de proyectil (horizontal)	flujo de onda	flujo disperso

La fuerza impulsora de un líquido cuando se mueve por gravedad la proporciona la diferencia en las alturas de los puntos inicial y final, y un requisito previo es que el punto inicial esté ubicado por encima del punto final. En otras palabras, la diferencia de altura 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 seleccionar una tubería de menor diámetro y viceversa.

Si el punto final está conectado a un sistema presurizado, como una columna de destilación, es necesario restar la presión equivalente de la diferencia de altura existente para estimar la presión diferencial efectiva real generada. Además, si el punto de partida de la tubería está bajo vacío, entonces también se debe tener en cuenta su efecto sobre la presión diferencial general al seleccionar la tubería. La selección final de tuberías se realiza mediante presión diferencial, teniendo en cuenta todos los factores anteriores, y no se basa únicamente en la diferencia de altura entre los puntos inicial y final.

Flujo de líquido caliente

Las plantas de proceso normalmente enfrentan varios desafíos cuando manejan 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 una ebullición puntual de un líquido con la posterior formación de burbujas de vapor (cavitación de vapor) o la liberación de gases disueltos en burbujas (cavitación de gas).

Se prefieren tuberías más grandes debido al caudal reducido en comparación con tuberías más pequeñas a flujo constante, lo que da como resultado un NPSH más alto en la línea de succión de la bomba. Además, la causa de la cavitación por pérdida de presión pueden ser puntos de cambio brusco en la dirección del flujo o reducción del tamaño de la tubería. La mezcla de vapor y gas resultante crea un obstáculo al flujo y puede causar daños a la tubería, lo que hace que el fenómeno de cavitación sea extremadamente indeseable durante el funcionamiento 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 técnico). Estas tuberías suelen tener instaladas 2 válvulas de cierre en la línea de instalación y una válvula de control de caudal paralela a esta 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 creada por el equipo conectado, como por ejemplo una bomba centrífuga. La bomba se selecciona en función de la caída de presión total de la instalación. Durante el movimiento a lo largo de la tubería de derivación, esta caída de presión adicional está ausente, mientras que la bomba en funcionamiento suministra el flujo con la misma fuerza, de acuerdo con sus características de funcionamiento. 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 a la instalación principal.

Línea de muestreo

Por lo general, se toma una muestra de una pequeña cantidad de líquido para analizarla 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 la sustancia transportada, como aguas residuales, refrigerante, etc. El tamaño de la sección de tubería desde la cual se realiza el muestreo depende típicamente del tipo de fluido que se analiza y de la ubicación del punto de muestreo.

Por ejemplo, para gases en condiciones de alta presión, pequeñas tuberías con válvulas son suficientes para recolectar la cantidad requerida de muestras. Aumentar el diámetro de la línea de muestreo reducirá la proporción de medios muestreados para análisis, pero dicho muestreo se vuelve más difícil de controlar. Sin embargo, una línea de muestreo pequeña no es adecuada para el análisis de diversas suspensiones en las que las partículas sólidas pueden obstruir la trayectoria del flujo. Por tanto, 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 líquidos viscosos.

Al seleccionar el tamaño de la tubería de muestreo, generalmente se tiene en cuenta lo siguiente:

características del líquido destinado al muestreo;
pérdida del ambiente de trabajo durante la selección;
requisitos de seguridad durante la selección;
facilidad de operación;
Ubicación del punto de muestreo.

Circulación de refrigerante

Se prefieren altas velocidades para las líneas de refrigerante en circulación. Esto se debe principalmente a que el refrigerante de la torre de refrigeración está expuesto a la luz solar, lo que crea las condiciones para la formación de una capa de algas. Una parte de este volumen que contiene algas pasa al refrigerante circulante. A caudales bajos, las algas comienzan a crecer en las tuberías y, después de un tiempo, dificultan que el refrigerante circule o pase al intercambiador de calor. En este caso se recomienda un caudal de circulación elevado para evitar la formación de obstrucciones de algas en la tubería. Normalmente, el uso de refrigerante de alta circulación se encuentra en la industria química, que requiere tuberías de gran tamaño y longitud para suministrar energía a varios intercambiadores de calor.

Desbordamiento del tanque

Los tanques están equipados con tuberías de rebose por las siguientes razones:

evitar la pérdida de líquido (el exceso de líquido va a otro depósito en lugar de derramarse fuera del depósito original);
evitar que líquidos no deseados se filtren fuera del tanque;
Mantener los niveles de líquidos en los tanques.

En todos los casos anteriores, las tuberías de desbordamiento están diseñadas para acomodar el flujo de fluido máximo permitido que ingresa al tanque, independientemente del caudal de fluido en la salida. Otros principios para seleccionar tuberías son similares a la selección de tuberías para líquidos 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 del tubo de rebose, que es también su punto de partida, se encuentra en el punto de conexión con el tanque (tubo de rebose del tanque), generalmente casi en la parte superior, y el punto final más bajo puede estar cerca del canal de drenaje casi en el terreno. Sin embargo, la línea de desbordamiento puede terminar en una elevación mayor. En este caso, la presión diferencial disponible será menor.

flujo de lodos

En el caso de la minería, el mineral suele extraerse de zonas inaccesibles. En estos lugares, por regla general, no hay conexiones ferroviarias ni por carretera. Para tales situaciones, el transporte hidráulico de medios con partículas sólidas se considera el más adecuado, incluso en el caso de plantas de procesamiento minero ubicadas a una distancia suficiente. Los oleoductos se utilizan en diversas aplicaciones industriales para transportar sólidos triturados junto con líquidos. Estos conductos han demostrado ser los más rentables en comparación con otros métodos de transporte de medios sólidos en grandes volúmenes. Además, sus ventajas incluyen suficiente seguridad debido a la ausencia de varios tipos de transporte y respeto al medio ambiente.

Las suspensiones y mezclas de sólidos suspendidos en líquidos se almacenan en estado de agitación periódica para mantener la homogeneidad. De lo contrario, se produce un proceso de separación en el que las partículas en suspensión, dependiendo de sus propiedades físicas, flotan hacia la superficie del líquido o se depositan en el fondo. La mezcla se logra a través de equipos como un tanque con agitador, mientras que en las tuberías esto se logra manteniendo condiciones de flujo turbulento.

No es deseable reducir el caudal al transportar partículas suspendidas en un líquido, ya que el proceso de separación de fases puede comenzar en el flujo. Esto puede provocar la obstrucción de la tubería y cambios en la concentración de los sólidos transportados en la corriente. El régimen de flujo turbulento facilita la mezcla intensiva en el volumen de flujo.

Por otro lado, una reducción excesiva del tamaño de la tubería también suele provocar obstrucciones. Por lo tanto, elegir el tamaño de la tubería es un paso importante y responsable que requiere análisis y cálculos preliminares. Cada caso debe considerarse individualmente ya que diferentes lechadas se comportan de manera diferente a diferentes velocidades del fluido.

Reparación de tuberías

Durante la operación de la tubería pueden ocurrir en la misma varios tipos de fugas, requiriendo eliminación inmediata para mantener la operatividad del sistema. La reparación de la tubería principal se puede realizar de varias formas. Esto puede variar desde reemplazar un segmento completo de tubería o una pequeña sección que tiene fugas, 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 sólo reparar, sino también cambiar la ruta de la tubería para evitar daños repetidos.

La primera etapa del trabajo de reparación es determinar la ubicación de la sección de tubería que requiere intervención. A continuación, dependiendo del tipo de tubería, se determina una lista de los equipos necesarios y las medidas necesarias para eliminar la fuga, y también se recopilan los documentos y permisos necesarios si el tramo de tubería a reparar se encuentra en el territorio de otro propietario. . Dado que la mayoría de las tuberías están ubicadas bajo tierra, puede ser necesario retirar parte de la tubería. A continuación, 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 en la tubería. Después de la reparación, se pueden llevar a cabo diversas medidas de inspección: pruebas ultrasónicas, detección de defectos de color, detección de defectos de partículas magnéticas, etc.

Aunque algunas reparaciones requieren un cierre completo de la tubería, a menudo sólo una interrupción temporal del trabajo es suficiente para aislar el área que se está reparando o preparar una ruta de derivación. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los trabajos de reparación se llevan a cabo cuando la tubería está completamente desconectada. El aislamiento de una sección de tubería se puede realizar mediante tapones o válvulas de cierre. A continuación, se instala el equipo necesario y se realizan las reparaciones directamente. Los trabajos de reparación se realizan en la zona dañada, liberada del medio ambiente y sin presión. Una vez finalizada la reparación, se abren los tapones y se restablece la integridad de la tubería.

5 CÁLCULO HIDRÁULICO DE TUBERÍAS

5.1 Tubería simple de sección constante

El oleoducto se llama simple, si no tiene ramas. Las tuberías simples pueden formar conexiones: en serie, paralelas o ramificadas. Las tuberías pueden ser complejo, que contienen conexiones o derivaciones tanto en serie como en paralelo.

El líquido se mueve a través de una tubería debido a que su energía al comienzo de la tubería es mayor que al final. Esta diferencia (diferencia) en los niveles de energía se puede crear de una forma u otra: por el funcionamiento de la bomba, por la diferencia en los niveles del líquido o por la presión del gas. En ingeniería mecánica, se trata principalmente de tuberías, cuyo movimiento de fluido se debe al funcionamiento de una bomba.

Cuando se calcula hidráulicamente una tubería, la mayoría de las veces se determina por su presión requeridah consumo: un valor numéricamente igual a la altura piezométrica en la sección inicial de la tubería. Si se da la presión requerida, generalmente se llama presión disponibleh disp. En este caso, el cálculo hidráulico puede determinar el caudal. q Líquido en la tubería o su diámetro. d. El valor del diámetro de la tubería se selecciona del rango establecido de acuerdo con GOST 16516-80.

Consideremos una tubería simple con un área de flujo constante, ubicada arbitrariamente en el espacio (Figura 5.1, A), tiene una longitud total yo y diámetro d y contiene una serie de resistencias hidráulicas locales I y II.

Escribamos la ecuación de Bernoulli para la inicial. 1-1 y final 2-2 secciones de esta tubería, asumiendo que los coeficientes de Coriolis en estas secciones son los mismos (α 1 =α 2). Después de reducir las presiones de velocidad obtenemos

Dónde z 1 , z 2 - coordenadas de los centros de gravedad de los tramos inicial y final, respectivamente;

pag 1 , pag 2 - presión en los tramos inicial y final del oleoducto, respectivamente;

Pérdida total de presión en la tubería.

De ahí la presión requerida

, (5.1)

Como puede verse en la fórmula resultante, la presión requerida es la suma de la altura geométrica total Δz = z 2 – z 1 , a la que asciende el líquido a medida que avanza por la tubería, la altura piezométrica en el tramo final de la tubería y la cantidad de pérdidas de presión hidráulica que se producen cuando el líquido se mueve en la misma.

En hidráulica, se acostumbra entender la presión estática de una tubería como la suma .

Luego, representando las pérdidas totales como una función de potencia del caudal q, obtenemos

Dónde T- un valor que depende del régimen de flujo de fluido en la tubería;

K es la resistencia de la tubería.

En condiciones de flujo de fluido laminar y resistencias locales lineales (sus longitudes equivalentes se dan yo eq) pérdidas totales

Dónde yo cálculo = yo + yo eq - longitud estimada de la tubería.

Por tanto, en modo laminar t= 1, .

En flujo de fluido turbulento

Reemplazando la velocidad promedio del fluido por el caudal en esta fórmula, obtenemos la pérdida de presión total

. (5.3)

Luego, en condiciones turbulentas , y el exponente metro= 2. Debe recordarse que en el caso general el coeficiente de pérdida por fricción a lo largo de la longitud también es función del caudal q.

Haciendo lo mismo en cada caso específico, después de simples transformaciones y cálculos algebraicos, se puede obtener una fórmula que determina la dependencia analítica de la presión requerida para una determinada tubería simple del caudal en la misma. En la Figura 5.1 se muestran ejemplos de tales dependencias en forma gráfica. b, v.

El análisis de las fórmulas dadas anteriormente muestra que la solución al problema de determinar la presión requerida h consumo a consumo conocido q Líquidos en la tubería y su diámetro. d no es difícil, ya que siempre es posible evaluar el régimen de flujo de fluido en la tubería comparando el valor crítico ReApag= 2300 con su valor real, que para tubos redondos se puede calcular mediante la fórmula

Después de determinar el régimen de flujo, puede calcular la pérdida de presión y luego la presión requerida usando la fórmula (5.2).

Si los valores q o d se desconocen, entonces en la mayoría de los casos es difícil evaluar el régimen de flujo y, por lo tanto, seleccionar razonablemente fórmulas que determinen las pérdidas de presión en la tubería. En tal situación, se puede recomendar utilizar el método de aproximación sucesiva, que normalmente requiere una cantidad bastante grande de trabajo computacional, o un método gráfico, en cuya aplicación es necesario construir la llamada característica de la presión requerida en la tubería.

5.2. Construcción de una característica de la presión requerida de una tubería simple.

Representación gráfica en coordenadas. NORTE-q La dependencia analítica (5.2) obtenida para una tubería determinada se llama en hidráulica. característica de la presión requerida. En la Figura 5.1, antes de Cristo Se dan varias características posibles de la presión requerida (lineal - para condiciones de flujo laminar y resistencias locales lineales; curvilínea - para condiciones de flujo turbulento o la presencia de resistencias locales cuadráticas en la tubería).

Como se puede observar en los gráficos, el valor de la presión estática norte calle puede ser positivo (el líquido se suministra a una cierta altura Δ z o hay exceso de presión en el tramo final pag 2) y negativo (cuando el líquido fluye hacia abajo o cuando entra en una cavidad con rarefacción).

La pendiente de las características de la presión requerida depende de la resistencia de la tubería y aumenta al aumentar la longitud de la tubería y disminuir su diámetro, y también depende del número y las características de la resistencia hidráulica local. Además, en un régimen de flujo laminar, la cantidad considerada también es proporcional a la viscosidad del líquido. El punto de intersección de la característica de presión requerida con el eje de abscisas (punto A en la Figura 5.1, b, V) Determina el flujo de fluido en la tubería cuando se mueve por gravedad.

Las dependencias gráficas de la presión requerida se utilizan ampliamente para determinar el flujo. q al calcular tuberías tanto simples como complejas. Por lo tanto, consideremos la metodología para construir tal dependencia (Figura 5.2, A). Consta de las siguientes etapas.

1ra etapa. Usando la fórmula (5.4) determinamos el valor del flujo crítico. q kr, correspondiente ReApag= 2300 y márquelo en el eje de gastos (eje x). Obviamente, para todos los gastos ubicados a la izquierda. q kr, habrá un régimen de flujo laminar en la tubería, y para caudales ubicados a la derecha q cr, - turbulento.

2da etapa. Calculamos los valores de presión requeridos. H 1 Y H2 a un caudal en la tubería igual a q kr, suponiendo en consecuencia que norte 1 - resultado del cálculo para el régimen de flujo laminar, y norte 2 - cuando es turbulento.

3ra etapa. Construimos una característica de la presión requerida para un régimen de flujo laminar (para caudales menores que q cr) . Si las resistencias locales instaladas en la tubería tienen una dependencia lineal de las pérdidas con el flujo, entonces la característica de la presión requerida tiene una forma lineal.

4ta etapa. Construimos una característica de la presión requerida para un régimen de flujo turbulento (para caudales grandes qApag). En todos los casos se obtiene una característica curvilínea, próxima a una parábola de segundo grado.

Teniendo una característica de la presión requerida para una tubería determinada, es posible, basándose en el valor conocido de la presión disponible. hdisp. encontrar el caudal requerido qx (ver Figura 5.2, A).

Si necesita encontrar el diámetro interno de la tubería. d, entonces, dados varios valores d, es necesario construir la dependencia de la presión requerida. hconsumo desde el diámetro d (Figura 5.2, b). Siguiente por valor N disp. Se selecciona el diámetro mayor más cercano del rango estándar. d calle .

En algunos casos, en la práctica, al calcular sistemas hidráulicos, en lugar de la característica de presión requerida, se utiliza la característica de la tubería. Características de la tubería- esta es la dependencia de las pérdidas de presión totales en la tubería del caudal. La expresión analítica de esta dependencia tiene la forma

La comparación de las fórmulas (5.5) y (5.2) nos permite concluir que las características de la tubería difieren de las características de la presión requerida en ausencia de presión estática. h pararse en h calle = 0 estas dos dependencias coinciden.

5.3 Conexiones de tuberías simples.

Métodos de cálculo analítico y gráfico.

Consideremos métodos para calcular conexiones de tuberías simples.

Déjanos tener conexión en serie varias tuberías simples ( 1 , 2 Y 3 en la Figura 5.3, A) diferentes longitudes, diferentes diámetros, con diferentes conjuntos de resistencias locales. Dado que estas tuberías están conectadas en serie, cada una de ellas tiene el mismo flujo de fluido. q. Pérdida de carga total para toda la conexión (entre puntos METRO Y norte) Consiste en pérdidas de presión en cada tubería simple ( , , ), es decir. para una conexión en serie es válido el siguiente sistema de ecuaciones:

(5.6)

La pérdida de carga en cada tubería simple se puede determinar a través de los valores de los caudales correspondientes:

El sistema de ecuaciones (5.6), complementado con dependencias (5.7), es la base para el cálculo analítico de un sistema hidráulico con una conexión en serie de tuberías.

Si se utiliza un método de cálculo gráfico, entonces es necesario construir una característica resumida de la conexión.

En la Figura 5.3, b muestra un método para obtener las características resumidas de una conexión serie. Para ello se utilizan las características de tuberías simples. 1 , 2 Y 3

Para construir un punto perteneciente a la característica total de una conexión en serie, es necesario, de acuerdo con (5.6), sumar las pérdidas de presión en las tuberías originales para el mismo caudal. Para ello, se dibuja una línea vertical arbitraria en el gráfico (a un caudal arbitrario q" ). A lo largo de esta vertical se suman los segmentos (pérdida de presión, y) obtenidos de la intersección de la vertical con las características iniciales de las tuberías. El punto así obtenido A pertenecerá a las características resumidas de la conexión. En consecuencia, la característica total de una conexión en serie de varias tuberías simples se obtiene sumando las ordenadas de los puntos de las características iniciales a un caudal determinado.

Paralelo Se denomina conexión de tuberías que tienen dos puntos comunes (un punto de bifurcación y un punto de cierre). En la Figura 5.3 se muestra un ejemplo de una conexión en paralelo de tres tuberías simples. v. Obviamente, el gasto q líquido en el sistema hidráulico antes de la bifurcación (punto METRO) y después del cierre (punto norte) igual e igual al monto de los gastos q 1 , q 2 y q 3 en ramas paralelas.

Si designamos presiones totales en puntos METRO Y norte a través de norteMETRO Y HN, entonces para cada tubería la pérdida de presión es igual a la diferencia de estas presiones:

; ; ,

es decir, en tuberías paralelas la pérdida de presión es siempre la misma. Esto se explica por el hecho de que con tal conexión, a pesar de la diferente resistencia hidráulica de cada tubería simple, los costos q 1 , q 2 Y q 3 distribuidos entre ellos de manera que las pérdidas sigan siendo iguales.

Por tanto, el sistema de ecuaciones para una conexión en paralelo tiene la forma

(5.8)

La pérdida de presión en cada tubería incluida en la conexión se puede determinar mediante fórmulas de la forma (5.7). Así, el sistema de ecuaciones (5.8), complementado con las fórmulas (5.7), es la base para el cálculo analítico de sistemas hidráulicos con conexión de tuberías en paralelo.

En la Figura 5.3, GRAMO muestra un método para obtener las características resumidas de una conexión en paralelo. Para ello se utilizan las características de tuberías simples. 1 , 2 Y 3 , que se construyen según dependencias (5.7).

Para obtener un punto perteneciente a la característica total de una conexión en paralelo, es necesario, de acuerdo con (5.8), sumar los caudales en las tuberías originales con las mismas pérdidas de presión. Para ello, se traza una línea horizontal arbitraria en el gráfico (con una pérdida arbitraria). A lo largo de esta línea horizontal, se resumen gráficamente los segmentos (gastos) q 1 , q 2 Y q 3), obtenido de la intersección de la línea horizontal con las características iniciales de las tuberías. El punto así obtenido EN pertenece a la característica resumida de la conexión. En consecuencia, la característica total de una conexión paralela de tuberías se obtiene sumando las abscisas de los puntos de las características originales para las pérdidas dadas.

Utilizando un método similar, se construyen características resumidas para tuberías ramificadas. Conexión ramificada es un conjunto de varias tuberías que tienen un punto común (el lugar donde las tuberías se bifurcan o se unen).

Las conexiones en serie y en paralelo discutidas anteriormente, estrictamente hablando, pertenecen a la categoría de tuberías complejas. Sin embargo, en hidráulica bajo tubería compleja Como regla general, se entienden como la conexión de varias tuberías simples conectadas en serie y en paralelo.

En la Figura 5.3, d Se da un ejemplo de una tubería tan compleja que consta de tres tuberías. 1 , 2 Y 3. Tubería 1 conectados en serie con respecto a las tuberías 2 Y 3. Tuberías 2 Y 3 pueden considerarse paralelos, ya que tienen un punto de bifurcación común (punto METRO) y suministrar líquido al mismo tanque hidráulico.

Para tuberías complejas, los cálculos suelen realizarse gráficamente. Se recomienda la siguiente secuencia:

1) una tubería compleja se divide en varias tuberías simples;

2) para cada tubería simple se construyen sus características;

3) mediante suma gráfica se obtienen las características de una tubería compleja.

En la Figura 5.3, mi muestra la secuencia de construcciones gráficas al obtener la característica resumida () de una tubería compleja. Primero, las características de las tuberías se suman de acuerdo con la regla para sumar las características de las tuberías paralelas, y luego la característica de una conexión en paralelo se suma con la característica de acuerdo con la regla para sumar las características de las tuberías conectadas en serie y la característica de todo el complejo oleoducto.

Al construir un gráfico de esta manera (ver Figura 5.3, mi) para una tubería compleja, simplemente puede usar un caudal conocido q 1 Al ingresar al sistema hidráulico, determine la presión requerida. h consumo = para todo el complejo oleoducto, costos q 2 y q 3 en ramales paralelos, así como la pérdida de presión, y en cada tubería simple.

5.4 Tubería de alimentación por bomba

Como ya se señaló, el principal método de suministro de fluido en la ingeniería mecánica es su inyección forzada mediante una bomba. Bomba Se llama dispositivo hidráulico que convierte la energía mecánica del accionamiento en energía del flujo de fluido de trabajo. En hidráulica, una tubería en la que una bomba garantiza el movimiento del fluido se llama tubería con suministro de bomba(Figura 5.4, A).

El objetivo del cálculo de una tubería bombeada suele ser determinar la presión generada por la bomba (altura de la bomba). Cabezal de bomba norte n es la energía mecánica total transferida por la bomba a una unidad de peso de líquido. Así, para determinar norte norte es necesario estimar el incremento en la energía específica total del líquido a medida que pasa a través de la bomba, es decir

, (5.9)

Dónde norte en,N fuera - energía específica del líquido a la entrada y salida de la bomba, respectivamente.

Consideremos el funcionamiento de una tubería abierta con suministro de bomba (ver Figura 5.4, A). La bomba bombea líquido desde el depósito inferior. A con presión por encima del líquido pag 0 a otro tanque B, en el que la presión R 3 . Altura de la bomba con respecto al nivel inferior del líquido. h 1 se llama altura de succión, y la tubería a través de la cual el líquido ingresa a la bomba se llama tubería de succión, o línea de succión hidráulica. La altura de la sección final de la tubería o el nivel superior del líquido. norte 2 se llama altura de descarga, y la tubería a través de la cual se mueve el líquido desde la bomba se llama presión, o Línea de inyección hidráulica.

Escribamos la ecuación de Bernoulli para el flujo de fluido en la tubería de succión, es decir para secciones 0-0 Y 1-1 :

, (5.10)

¿Dónde está la pérdida de presión en la tubería de succión?

La ecuación (5.10) es la principal para calcular las tuberías de succión. Presión pag 0 generalmente limitado (generalmente presión atmosférica). Por lo tanto, el objetivo del cálculo de la tubería de succión suele ser determinar la presión delante de la bomba. Debe ser mayor que la presión de vapor saturado del líquido. Esto es necesario para evitar la cavitación en la entrada de la bomba. De la ecuación (5.10) puedes encontrar la energía específica del líquido en la entrada de la bomba:

. (5.11)

Escribamos la ecuación de Bernoulli para el flujo de fluido en una tubería a presión, es decir, para secciones 2-2 Y 3-3:

, (5.12)

¿Dónde está la pérdida de presión en la tubería de presión?

El lado izquierdo de esta ecuación representa la energía específica del fluido que sale de la bomba. hafuera. Sustituyendo los lados derechos de las dependencias (5.11) en (5.9) para haporte y (5.12) para hafuera, obtenemos

Como se desprende de la ecuación (5.13), la presión de la bomba h n asegura que el líquido suba a una altura (H 1+h 2), aumentando la presión de R 0 antes pag 3 y se gasta en superar la resistencia en las tuberías de succión y presión.

Si está en el lado derecho de la ecuación (5.13) designado h st y reemplazar en KQ m , entonces obtenemos hnorte= hcr + KQ m.

Comparemos la última expresión con la fórmula (5.2), que determina la presión requerida para la tubería. Su identidad completa es obvia:

aquellos. la bomba crea una presión igual a la presión requerida de la tubería.

La ecuación resultante (5.14) le permite determinar analíticamente la presión de la bomba. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el método analítico es bastante complejo, por lo que se ha generalizado el método gráfico para calcular una tubería con suministro de bomba.

Este método consiste en trazar conjuntamente en un gráfico las características de presión requerida en la tubería (o características de la tubería) y características de la bomba. La característica de la bomba se refiere a la dependencia de la presión generada por la bomba del caudal. El punto de intersección de estas dependencias se llama punto de operación sistema hidráulico y es el resultado de una solución gráfica de la ecuación (5.14).

En la Figura 5.4, b Se da un ejemplo de una solución gráfica de este tipo. Aquí está el punto A. y ahí está el punto de funcionamiento deseado del sistema hidráulico. Sus coordenadas determinan la presión. h n creado por la bomba y el caudal qnorte fluido que fluye desde la bomba hacia el sistema hidráulico.

Si por alguna razón la posición del punto de operación en el gráfico no le conviene al diseñador, entonces esta posición se puede cambiar ajustando cualquier parámetro de la tubería o la bomba.

7.5. Golpe de ariete en la tubería

Golpe de ariete Es un proceso oscilatorio que ocurre en una tubería cuando hay un cambio brusco en la velocidad del líquido, por ejemplo cuando el flujo se detiene debido al cierre rápido de una válvula (grifo).

Este proceso es muy rápido y se caracteriza por la alternancia de fuertes aumentos y disminuciones de presión, lo que puede provocar la destrucción del sistema hidráulico. Esto se debe al hecho de que la energía cinética de un flujo en movimiento, cuando se detiene, se convierte en trabajo para estirar las paredes de las tuberías y comprimir el líquido. El mayor peligro es el aumento de presión inicial.

Sigamos las etapas del choque hidráulico que ocurre en la tubería cuando el flujo se bloquea rápidamente (Figura 7.5).

Dejemos que al final del tubo por el que se mueve el líquido a una velocidad vq, El grifo se cierra instantáneamente. A. Luego (ver Figura 7.5, A) la velocidad de las partículas de líquido que chocan con el grifo se extinguirá y su energía cinética se transferirá al trabajo de deformación de las paredes de la tubería y el líquido. En este caso, las paredes de la tubería se estiran y el líquido se comprime. La presión en el líquido detenido aumenta en Δ pag derrotar Otras partículas chocan con las partículas de líquido inhibidas en el grifo y también pierden velocidad, lo que resulta en una sección transversal páginas se mueve hacia la derecha con velocidad c, llamada velocidad de la onda de choque, la propia región de transición (sección páginas), en el que la presión cambia en una cantidad Δ pag oud se llama onda de choque.

Cuando la onda de choque llegue al depósito, el líquido se detendrá y se comprimirá por toda la tubería, y las paredes de la tubería se estirarán. Aumento de la presión de choque Δ pag el impacto se extenderá por toda la tubería (ver Fig. 7.5, b).

Pero este estado no es equilibrio. Bajo la influencia de una mayor presión ( R 0 + Δ pag latido) las partículas de líquido se precipitarán desde la tubería hacia el tanque, y este movimiento comenzará desde la sección directamente adyacente al tanque. Ahora la sección páginas se mueve a lo largo de la tubería en la dirección opuesta, al grifo, a la misma velocidad Con, dejando atrás presión en el líquido. pag 0 (ver Figura 7.5, V).

Las paredes del líquido y de la tubería vuelven al estado inicial correspondiente a la presión. pag 0 . El trabajo de deformación se convierte completamente en energía cinética y el líquido en la tubería adquiere su velocidad original. , pero dirigido en la dirección opuesta.

A esta velocidad, la "columna de líquido" (ver Figura 7.5, GRAMO) tiende a desprenderse del grifo, lo que produce una onda de choque negativa (la presión en el líquido disminuye en el mismo valor Δ pag ud). El límite entre dos estados de un líquido está dirigido Del grifo al tanque a gran velocidad. Con, dejando atrás paredes de tubería comprimidas y líquido expandido (consulte la Figura 7.5, d). La energía cinética del líquido se transforma nuevamente en trabajo de deformación, pero con signo opuesto.

El estado del líquido en la tubería en el momento en que la onda de choque negativa llega al tanque se muestra en la Figura 7.5. mi. Igual que para el caso mostrado en la Figura 7.5, b, no está en equilibrio, ya que el líquido en la tubería está bajo presión ( R 0 + Δ pag latido), menos que en el tanque. En la Figura 7.5, y muestra el proceso de igualar la presión en una tubería y un tanque, acompañado por el movimiento del fluido a una velocidad .

Es obvio que tan pronto como la onda de choque reflejada por el tanque llegue al grifo, se producirá una situación que ya se produjo cuando se cerró el grifo. Se repetirá todo el ciclo de golpe de ariete.

Los estudios teóricos y experimentales sobre el choque hidráulico en tuberías fueron realizados por primera vez por N.E. Zhukovsky. En sus experimentos se registraron hasta 12 ciclos completos con una disminución gradual de Δ pag derrotar Como resultado de la investigación, N.E. Zhukovsky obtuvo dependencias analíticas que permitieron estimar la presión de choque Δ pag derrotar Una de estas fórmulas, que lleva el nombre de N.E. Zhukovsky, tiene la forma

¿Dónde está la velocidad de propagación de la onda de choque? Con determinado por la fórmula

Dónde A - módulo volumétrico de elasticidad del líquido; mi- módulo de elasticidad del material de la pared de la tubería; d y δ son el diámetro interno y el espesor de pared de la tubería, respectivamente.

La fórmula (7.14) es válida para golpe de ariete directo, cuando el tiempo de cierre del flujo t cerrado es menor que la fase de golpe de ariete t 0:

Dónde yo- longitud de la tubería.

Fase de golpe de ariete t 0 es el tiempo durante el cual la onda de choque se mueve desde el grifo al tanque y regresa. En t cerrado > t 0 la presión de choque es menor, y este golpe de ariete se llama indirecto.

Si es necesario, puede utilizar métodos conocidos para "mitigar" el golpe de ariete. El más eficaz de ellos es aumentar el tiempo de respuesta de los grifos u otros dispositivos que cierran el flujo de líquido. Se logra un efecto similar instalando acumuladores hidráulicos o válvulas de seguridad frente a los dispositivos que bloquean el flujo de fluido. Reducir la velocidad del movimiento del fluido en la tubería aumentando el diámetro interno de las tuberías a un caudal determinado y reduciendo la longitud de las tuberías (reduciendo la fase de choque hidráulico) también ayuda a reducir la presión de choque.

Correspondencia de valores de diámetro nominal en mm y pulgadas:

Se prefiere una tubería con una sección transversal circular a otras secciones geométricas por varias razones:

Un círculo tiene una relación mínima entre perímetro y área, y cuando se aplica a una tubería, esto significa que con el mismo rendimiento, el consumo de material de las tuberías redondas será mínimo en comparación con las tuberías de otras formas. Esto también implica los menores costes posibles en aislamiento y revestimiento protector;
Una sección transversal circular es más ventajosa para mover un medio líquido o gaseoso desde un punto de vista hidrodinámico. Además, debido al mínimo área interna posible de la tubería por unidad de su longitud, se minimiza la fricción entre el medio en movimiento y la tubería.
La forma redonda es más resistente a presiones internas y externas;
El proceso de fabricación de tubos redondos es bastante sencillo y fácil de implementar.

Diseño de tuberías

Al diseñar tuberías, se toman como base los siguientes parámetros básicos de diseño:

desempeño requerido;
puntos de entrada y salida del oleoducto;
composición del medio, incluida la viscosidad y la gravedad específica;
condiciones topográficas del trazado del oleoducto;
presión de funcionamiento máxima permitida;
cálculo hidráulico;
diámetro de la tubería, espesor de la pared, límite elástico a la tracción del material de la pared;
número de estaciones de bombeo, distancia entre ellas y consumo de energía.

Fiabilidad de la tubería

Recubrimiento adicional para tuberías

Principios básicos para calcular el flujo en una tubería.

Re = (v·L·ρ)/μ

Dónde:
ρ—densidad del líquido;
v—velocidad del flujo;
L es la longitud característica del elemento de flujo;
μ - coeficiente de viscosidad dinámica.

Perfil de velocidad del flujo
modo laminar	régimen transitorio	régimen turbulento

Carácter de la corriente
modo laminar	régimen transitorio	régimen turbulento

Cálculo de tuberías. Cálculo del diámetro de la tubería.

v cr = (v D)/Re cr = (4 Q)/(π D Re cr)

Dónde:
ν cr - viscosidad cinemática crítica;
Re cr - valor crítico del criterio de Reynolds;
D - diámetro de la tubería;
v - velocidad del flujo;
Q - consumo.

(√λ ) -1 = -2 log(2,51/(Re √λ ) + k/(3,71 d))

Dónde:
k - coeficiente de rugosidad de la tubería;
λ - coeficiente de fricción.

∆H = λ L/d v²/(2 g)

La pérdida de presión debida a la fricción del agua se calcula mediante la fórmula de Hazen-Williams.

∆H = 11,23 L 1/C 1,85 Q 1,85 /D 4,87

Dónde:
ΔH - pérdida de presión;
L es la longitud de la sección de tubería;
C es el coeficiente de rugosidad de Heisen-Williams;
Q - caudal;
D - diámetro de la tubería.

Presión

Tabla de excesos de presión permitidos:

Cálculo de la caída de presión en una tubería.

La caída de presión en la tubería se calcula mediante la fórmula:

∆p = λ L/d ρ/2 v²

Medios de trabajo transportados

Los oleoductos también transmiten:

productos derivados del petróleo como gasolina, combustible de aviación, queroseno, combustible diésel, fueloil, etc.;
materias primas petroquímicas: benceno, estireno, propileno, etc.;
hidrocarburos aromáticos: xileno, tolueno, cumeno, etc.;
combustibles de petróleo licuados como gas natural licuado, gas de petróleo licuado, propano (gases a temperatura y presión estándar pero licuados usando presión);
dióxido de carbono, amoníaco líquido (transportado como líquido bajo presión);
el betún y los combustibles viscosos son demasiado viscosos para ser transportados por oleoductos, por lo que se utilizan fracciones destiladas de petróleo para diluir estas materias primas y obtener una mezcla que pueda transportarse por oleoductos;
hidrógeno (distancias cortas).

Calidad del medio transportado

Tan pronto como la temperatura del fluido cae por debajo del punto de fluidez, el funcionamiento de la tubería se vuelve imposible y se toman varias opciones para restablecer su funcionamiento:

calentar el medio o aislar tuberías para mantener la temperatura de funcionamiento del medio por encima de su punto de fluido;
cambio en la composición química del medio antes de ingresar a la tubería;
Dilución del medio transportado con agua.

Tipos de tuberías principales

codo 90°	curva de 90°	rama de transición	derivación

codo 180°	doblar 30°	conector adaptador	consejo

Se utilizan conexiones especiales para instalar partes individuales de tuberías y accesorios.

soldado	bridado	roscado	acoplamiento

Expansión de temperatura de la tubería.

Cálculo de dimensiones de tuberías con cambios de temperatura.

El cálculo de los cambios en las dimensiones lineales de la tubería con cambios de temperatura se realiza mediante la fórmula:

∆L = a·L·∆t

Tabla de expansión lineal de tuberías de diversos materiales.

Determinación del tamaño óptimo del diámetro de la tubería.

El tamaño óptimo es el tamaño de tubería más pequeño adecuado para una aplicación particular que sea rentable durante la vida útil del sistema.

Fórmula para calcular el rendimiento de la tubería:

Q = (πd²)/4v

Q es el caudal del líquido bombeado;
d - diámetro de la tubería;
v - velocidad del flujo.

Medio bombeado		Rango de velocidades óptimas en la tubería, m/s
Líquidos	Movimiento por gravedad:
	Líquidos viscosos	0,1 - 0,5
	Líquidos de baja viscosidad	0,5 - 1
	Bombeo:
	Lado de succión	0,8 - 2
	Lado de descarga	1,5 - 3

gases	antojo natural	2 - 4
	Baja presión	4 - 15
	Gran presión	15 - 25

parejas	Vapor supercalentado	30 - 50
	Vapor saturado bajo presión:
	Más de 105Pa	15 - 25
	(1 - 0,5) 105Pa	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:

re o = √((4 Q) / (π v o ))

Q es el caudal especificado del líquido bombeado;
d - diámetro óptimo de la tubería;
v es el caudal óptimo.

Cálculo (fórmula) de los costos de capital de un oleoducto.

K 1 = (m·C M ·K M)/n

m - masa de la tubería, t;
C M - coste de 1 t, rub/t;
K M - coeficiente que aumenta el costo del trabajo de instalación, por ejemplo 1,8;
n - vida útil, años.

Los costos operativos indicados asociados al consumo de energía son:

K 2 = 24 N n día C E frotar/año

N - potencia, kW;
n DN - número de días hábiles por año;
S E - costes por kWh de energía, frotar/kW * h.

Fórmulas para determinar las dimensiones de la tubería.

Un ejemplo de fórmulas generales para determinar el tamaño de tuberías sin tener en cuenta posibles factores de impacto adicionales como erosión, sólidos en suspensión, etc.:

Nombre	La ecuacion	Posibles restricciones
Flujo de líquido y gas bajo presión.
Pérdida de cabeza por fricción. Darcy Weisbach	d = 12 [(0.0311 f L Q 2)/(h f)] 0.2	Q - flujo volumétrico, gal/min; d - diámetro interno de la tubería; hf - pérdida de presión por fricción; L - longitud de la tubería, pies; f - coeficiente de fricción; V - velocidad del flujo.
Ecuación del flujo total de fluido.	d = 0,64 √(Q/V)	Q - flujo volumétrico, gal/min
Tamaño de la línea de succión de la bomba para limitar la pérdida de carga por fricción	d = √(0.0744·Q)	Q - flujo volumétrico, gal/min
Ecuación del flujo total de gas	d = 0,29 √((Q T)/(P V))	Q - flujo volumétrico, pies³/min T - temperatura, K P - presión lb/in² (abs); V-velocidad
Flujo gravitacional
Ecuación de Manning para calcular el diámetro de la tubería para flujo máximo	d = 0,375	Q - flujo volumétrico; n - coeficiente de rugosidad; S - pendiente.
El número de Froude es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de gravedad.	Fr = V / √[(d/12) g]	g - aceleración de caída libre; v - velocidad del flujo; 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 - flujo másico; Vg - volumen específico de vapor saturado; x - calidad del vapor; V - velocidad.

Caudales óptimos para varios sistemas de tuberías

Flujo de fluido por gravedad

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)	flujo de proyectil (horizontal)	flujo de onda	flujo disperso

Flujo de líquido caliente

Tubería de derivación para equipos/instrumentos.

Línea de muestreo

Al seleccionar el tamaño de la tubería de muestreo, generalmente se tiene en cuenta lo siguiente:

características del líquido destinado al muestreo;
pérdida del ambiente de trabajo durante la selección;
requisitos de seguridad durante la selección;
facilidad de operación;
Ubicación del punto de muestreo.

Circulación de refrigerante

Desbordamiento del tanque

Los tanques están equipados con tuberías de rebose por las siguientes razones:

evitar la pérdida de líquido (el exceso de líquido va a otro depósito en lugar de derramarse fuera del depósito original);
evitar que líquidos no deseados se filtren fuera del tanque;
Mantener los niveles de líquidos en los tanques.

flujo de lodos

Reparación de tuberías

El movimiento de un líquido en una tubería está determinado por la diferencia entre dos presiones: la presión antes de entrar a la tubería y la presión a la salida de la misma. Sin embargo, si el plano de referencia se combina con la superficie libre del líquido en un piezómetro conectado a la sección de salida, entonces la energía potencial específica de la sección de salida con respecto al plano de comparación será igual a cero. En la mayoría de los problemas prácticos, la energía cinética en la sección de salida es muy pequeña o no tiene interés para el cálculo. Así, la principal magnitud que determina el movimiento del líquido en una tubería es la presión en la sección inicial con respecto al nivel del líquido en el piezómetro conectado a la sección de salida. Esta presión se llama presión de diseño tubería.

La magnitud de la presión de diseño se puede estimar de la siguiente manera. En términos generales, la diferencia entre las energías de las secciones transversales de entrada y salida.

Normalmente, el líquido ingresa a una tubería desde un tanque o depósito de dimensiones tan grandes que la velocidad antes de la entrada puede considerarse insignificante. La energía cinética en la salida, como ya se señaló, también puede despreciarse. Además, si ambas secciones se comunican con la atmósfera (como suele ocurrir), entonces . Entonces

es decir, en este caso simple, la presión de diseño es la diferencia en las alturas geométricas de los centros de gravedad de las secciones de entrada y salida de la tubería.

Consideremos primero el esquema de cálculo. simple oleoducto, es decir, un oleoducto que no tiene ramales. Una tubería de este tipo puede suministrar agua de un tanque a presión a otro o desde un canal (depósito) hasta un punto donde el agua del suministro de agua fluye directamente a la atmósfera.

Longitud de la tubería yo y diámetro d puede ser horizontal o inclinado, el flujo fluye a través de él q(Figura 6.1).

Creemos la ecuación de Bernoulli para dos secciones: una de ellas 1 –1 coincide con la superficie libre del agua en el tanque, otros 2 –2 pasa por la salida de la tubería. Dibujamos el plano de comparación 0-0 a través del centro de la sección de salida de la tubería. La ecuación de Bernoulli se escribirá como

El plano de comparación se dibuja a través del centro de la sección de salida, es decir z 1 = h, z 2 = 0. La presión en ambas secciones es igual a la atmosférica: . Por lo tanto, el nivel de líquido en el tanque permanece constante.

En tuberías largas, la energía cinética del líquido en la sección de salida es siempre muy pequeña en comparación con la cantidad de pérdidas; puede despreciarse del mismo modo que las pérdidas locales. Teniendo todo esto en cuenta, de la ecuación de Bernoulli obtenemos

(6.1)

Esta relación significa que casi toda la presión disponible se gasta en superar la resistencia a la fricción a lo largo de la tubería. Para conocer el valor de presión requerido, debe calcular la pérdida de energía a lo largo de la tubería. El cálculo de tuberías largas se basa en esta posición.

Las pérdidas distribuidas a lo largo de la tubería se pueden calcular utilizando la fórmula (5.2): la fórmula de Weisbach-Darcy:

La velocidad del movimiento de un fluido a través de una tubería en un régimen de flujo turbulento completamente desarrollado, es decir, en el caso de resistencia cuadrática, está determinada por la fórmula (4.7): fórmula de Chezy:

Entonces el flujo de fluido se determinará como

El complejo expresa la cantidad de caudal de fluido que puede pasar la tubería en cuestión con una pendiente hidráulica igual a uno. Esta cantidad se llama módulo de flujo tubería. Recordando la expresión de pendiente hidráulica i en flujo constante

y utilizando la designación del módulo de flujo, podemos obtener una fórmula que relaciona las pérdidas de energía y el flujo de fluido:

(6.2)

El módulo de flujo de la tubería está relacionado con su diámetro y grado de rugosidad. Usando la fórmula de Manning (4.9) para el coeficiente C, y teniendo en cuenta el valor del radio hidráulico para tubos redondos, podemos escribir

Para tuberías producidas industrialmente de diámetros estándar (rango), los valores del módulo de flujo k calculado y compilado en libros de referencia hidráulica.

Así, las fórmulas básicas para los tres tipos de problemas que surgen al calcular una tubería simple se pueden obtener a partir de la fórmula (6.2) teniendo en cuenta la fórmula (6.1), es decir, utilizando el valor de las pérdidas de energía como presión de diseño:

	,	(6.3)
	,	(6.4)
	.	(6.5)

El procedimiento de cálculo para problemas del primer tipo (determinación de la presión requerida) es el siguiente.

1. Utilizando un diámetro de tubería conocido, se calculan el área de la sección transversal y la velocidad promedio del flujo.

2. Se calcula el número de Reynolds.

3. De acuerdo con el material y estado (nuevo o usado) de la tubería, su rugosidad se determina mediante tablas hidráulicas.

4. Con base en el número Re calculado y la rugosidad de los gráficos de Nikuradze, se determina qué caso de resistencia a lo largo de la longitud ocurre. Esto le permitirá seleccionar el tipo de fórmula para calcular el coeficiente. C.

5. El valor del módulo de flujo se calcula o determina a partir de tablas hidráulicas. k.

6. Con conocido q, yo Y k La fórmula (6.3) se utiliza para encontrar el valor de presión. A menudo el valor encontrado de esta manera h aumentar ligeramente (entre un 2% y un 5%) para proporcionar un margen para pérdidas locales no contabilizadas.

En los problemas del segundo tipo (determinación del flujo), inicialmente es imposible calcular velocidades, calcular el número de Reynolds y determinar la ley de resistencia a lo largo de la tubería. En los problemas del tercer tipo (cálculo de los diámetros requeridos), también se desconocen las características de rugosidad inicial de la tubería. Estos problemas se resuelven mediante aproximaciones sucesivas, en las que se realizan cálculos preliminares especificando algunos valores iniciales de parámetros desconocidos. Una vez obtenido el resultado, se corrigen los supuestos iniciales y se repiten los cálculos. Cuando se utilizan las capacidades de la tecnología informática moderna, estos métodos no causan dificultades fundamentales.

Si se consideran tuberías con una alta velocidad de flujo conocida y una rugosidad significativa, esto nos permite asumir con confianza la presencia de una ley de resistencia cuadrática. Luego, utilizando las fórmulas de Chezy, Pavlovsky o Manning, se pueden resolver estos problemas sin selección.

Simple Se llama tubería que no contiene ramales, en cada tramo del cual el caudal permanece constante.

Luego escribimos la ecuación de flujo constante (ecuación de continuidad) en la forma:

Los cálculos de tuberías simples se basan en las siguientes fórmulas:

darcy (2.20)

para determinar las pérdidas por fricción a lo largo y

Weisbach (2.21)

para calcular las pérdidas debidas a resistencias locales

Las pérdidas totales se definen como la cantidad

. (2.22)

La presión requerida (en la sección inicial) es la presión que se debe crear para mover el líquido con el caudal q desde el tramo inicial hasta el final.

N st– presión estática determinada por la diferencia de altura z 1 y z 2 tuberías y presión. R 2 en el tramo final del oleoducto.

En general, la fórmula para calcular la presión se expresa en términos de flujo:

. (2.24)

, (modo laminar). (2.25)

, t= 2 (modo turbulento). (2.26)

La característica hidráulica de una tubería simple es la dependencia de la pérdida de presión del flujo.

Para construir las características hidráulicas de una sección: se dan una serie de caudales, para cada uno de ellos se determina el régimen de flujo, el coeficiente de resistencia al rozamiento y se calcula la pérdida de carga. A partir de los valores obtenidos se construye una gráfica.

Problemas tipo 1

Se especifican: caudal, diámetro, rugosidad, longitud de la tubería y coeficiente de resistencia local.

Necesidad de determinar presión o presión en los extremos de la tubería.

El problema se resuelve determinando directamente:

a) velocidad, número de Reynolds y régimen de flujo;

b) área y coeficiente de resistencia a la fricción;

c) pérdida de presión (2.20)-(2.22).

Problemas del segundo tipo.

Se especifican: presión, diámetro, rugosidad, longitud de la tubería y coeficiente de resistencia local.

Se requiere determinar el caudal en la tubería.

El método para resolver el problema depende del régimen de flujo:

a) para modo laminar el problema se resuelve sustituyendo directamente (2.25) en (2.26), a partir de lo cual se determina el caudal;

b) para modo turbulento métodos de aproximaciones sucesivas.

Para aproximaciones sucesivas se procede de la siguiente manera:

a) dado el caudal, determine la velocidad, Re, coeficiente de resistencia a la fricción, pérdida de valor Consumo de nitrógeno comprobar la coincidencia de la presión especificada (disponible) y la calculada. Si Consumo de nitrógeno > visualización R Se reduce el consumo.

b) estableciendo inicialmente l = 0,03, determine: k a partir de (2.25) y calcule el caudal según (2.24). Aclarar l y volver al paso anterior.

Los cálculos se detienen cuando se alcanza la precisión requerida del 5%.

Problemas del tercer tipo.

Se especifica lo siguiente: caudal, presión, rugosidad, longitud de la tubería y coeficiente de resistencia local.

Es necesario determinar el diámetro de la tubería.

En la expresión (2.25), el diámetro se expresa mediante el número crítico Re cr de donde lo encuentran SUST. cr– presión correspondiente a un cambio en el régimen de flujo.

Si la moda es laminar, entonces el diámetro se determina a partir de una solución conjunta de las ecuaciones (2.24) y (2.25).

Si es turbulento ( norte > SUST. cr), luego, dados los valores de los diámetros, resuelven el problema construyendo una gráfica para una dada q hasta una coincidencia y una presión determinada (disponible).

Ejemplo 1. Determine la presión en la entrada de la tubería requerida para suministrar agua a través de una tubería de longitud yo= 20 m, diámetro 20 mm, rugosidad 2,0 micras en un tanque lleno hasta la altura h= 5 m con un caudal de 1 l/s, a una temperatura del agua de 20 °C.

Solución. El área de la sección transversal del líquido del flujo es un círculo,

Determinemos el modo de movimiento en la tubería.

EM.

El régimen de flujo es turbulento.

Determinemos el área de resistencia hidráulica.

Para el área de tuberías hidráulicamente lisas, el coeficiente de resistencia a la fricción.

Pérdidas a lo largo de la tubería

Las pérdidas a la salida de la tubería al tanque son iguales a las pérdidas en la presión de velocidad.

La presión requerida en la entrada de la tubería se determinará a partir de 8,5 at (plano de comparación), m, , .

Respuesta: metro.

Ejemplo 2. Por una tubería principal de dos tramos circula agua a una temperatura de 20 °C. Características de las secciones: primera sección: diámetro 20 mm, longitud 40 m, rugosidad 60 micras, coeficiente de resistencia local 10; segunda sección: diámetro 40 mm, longitud 100 m, rugosidad 20 µm, coeficiente de resistencia local x 2 = 20. Determine el flujo de agua en la tubería si la pérdida de presión en ella es norte= 20 metros.

Datos iniciales: milímetros, m, ,

metro 2; milímetros, metro,

metro 2; kg/m3, m2/s.

Solución. Pérdida de presión en la tubería.

. (2.27)

Resolvemos el problema por el método de aproximaciones sucesivas, fijando inicialmente l = 0,03.

M3/s = 0,714 l/s.

Para el caudal resultante, calculamos los valores de los coeficientes de resistencia.

EM; .

Modo turbulento

Calculamos l para la región de transición de la resistencia hidráulica.

Para la segunda sección

EM;

– modo turbulento.

Aclaramos los caudales usando la fórmula (2.27)

M3/s = 0,736 l/s.

Cambio relativo en el caudal e < 5 %.

Respuesta: m3/s = 0,74 l/s.

Ejemplo. Determine el diámetro de una tubería nueva de acero galvanizado, de 20 m de longitud, a través de la cual, con una diferencia de presión atm, fluirá un caudal de kg/s de agua a una temperatura de 50 °C. Coeficiente de resistencia x = 5. Propiedades del agua en t= 50 °C: kg/m3, m2/s. Pérdida de presión en la tubería

Solución. Aceptamos el diámetro como mm.

EM.

(modo turbulento).

; .

El coeficiente de fricción se calcula para la resistencia hidráulica de transición.

Pérdida de presión:

Tomamos el diámetro mm, velocidad m/s.

El régimen de flujo será turbulento. .

Para tuberías hidráulicamente rugosas .

Pérdida de presión

Porque Pa, entonces se debe aumentar el diámetro.

– modo turbulento.

– región de transición.

Pensilvania.

d= 22,5 mm

h, 10 5 Pa

d, mm

Arroz. 2.6. Dependencia de la pérdida de presión del diámetro de la tubería.

d	V	Re	yo		D pag
	2,238		0,0309	30,77
	2,411		0,0312	32,18
	2,640		0,0316	33,73

Respuesta: mm.

Complejo Son tuberías que tienen ramales, tramos paralelos o anulares, cuyo caudal individual depende de su resistencia hidráulica, caudal total y estructura de la red hidráulica.

Con secciones individuales conectadas en serie, el caudal a través de cada nodo que conecta las secciones permanece constante:

Las pérdidas de presión en dicha red son iguales a la suma de las pérdidas en cada sección.

Cuando todas las secciones están conectadas en paralelo, el consumo de la red es igual a la suma de los costos en las secciones individuales:

y la pérdida de presión en cada sección es igual entre sí

Al construir las características de la presión requerida.

Para una red, una tubería compleja se representa como una conexión para una red, una tubería compleja se representa como una conexión de secciones simples individuales, donde , y primero se construyen las dependencias para las secciones paralelas (sumando los costos en ), y luego las pérdidas en .