FLUJO DE FLUIDOS. Aire Atrapado y Purgado de Vacio


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1 FLUJO DE FLUIDOS La tubería DriscoPlex es usada para transportar fluidos que pueden ser líquidos o lodos, en los que las partículas sólidas se encuentran se transportan con líquidos, o bien gases. Esta sección proporciona información general para flujo de agua según las fórmulas de Hazen-Williams y de Manning y para flujo de gases a alta y baja presión de acuerdo a la fórmula de Mueller 2. La información de flujo en este párrafo puede ser considerada a algunas condiciones y aplicaciones, pero no es totalmente válida para todas las situaciones. El usuario deberá verificar su aplicación antes del usarla. Aire Atrapado y Purgado de Vacio En terreno sinuoso o montañoso se deberá evitar pérdidas de presión originadas por aire atrapado en la línea. Esta situación se puede presentar cuando existe aire en el sistema que se acumula en las partes altas de la tubería. Esto reduce el área hidráulica de la tubería y restringe el flujo. Venteos como son los tubos cuello de ganso y las válvulas de expulsión de aire se pueden instalar para evitar el aire atrapado. Si la tubería tiene puntos mas altos de los venteos de los extremos de la línea es posible que sea necesario la instalación de válvulas de admisión de aire para prevenir el vacío, que podría colapsarla, producir un sifón o para poder drenarla. 2 Para las fórmulas de flujo que requieran de la rugosidad interna del tubo, se usa típicamente un valor de? = 7 x 10-5 pies. Página 28

2 Diámetro Interno La tubería de polietileno con diámetro exterior controlado DriscoPlex esta fabricada el método de extrusión que controla el diámetro externo y el espesor de la pared de la tubería. Como resultado, el diámetro interno variará de acuerdo a las tolerancias en el diámetro exterior y espesor de pared, además entre otras por variaciones como pueden ser el ovalamiento, descentrado del tubo, desalineamiento de las uniones, etc. El diámetro interno para cálculos de flujo se determina típicamente restando dos veces el promedio del espesor de pared del diámetro exterior promedio. El espesor promedio de pared se calcula como el espesor mínimo más el 6%. Cuando la medida del diámetro interior se necesita para propósitos como dimensionar insertos o rigidizadores internos que tienen que encajar con precisión en el interior de la tubería, por favor referirse a los estándares del fabricante (ASTM, AWWA, etc.) o tomar las medidas de la tubería. Hazen - Williams Para algunas aplicaciones, algunas fórmulas empíricas se pueden aplicar, y cuando se usan dentro de sus limites, se pueden obtener resultados confiables. Hazen y Williams desarrollaron una fórmula empírica para el agua a 60º F. La viscosidad del agua varía con respecto a la temperatura, por lo que se pueden tener algunas desviaciones cuando se usar para otras temperaturas. Fórmula Hazen-Williams para pérdidas por fricción (cabeza) en pies: H f =( L / d )*(100 Q / C) 1.85 Fórmula Hazen-Williams para pérdidas por fricción (cabeza)en psi: P f = ( L / d )*(100 Q / C) 1.85 Donde: H f = Pérdida por fricción, pies de agua. L = Longitud de la tubería, pies. d = Diámetro interno de la tubería, pulgadas. Q = Flujo, galones/min. C = Factor de fricción de Hazen-Williams, adimensional Pf = Perdida de fricción, psi. Página 29

3 Tabla 7 Factor de Fricción Hazen-Williams, C Material de la Tubería Valores de C Rango Alto/Bajo Valor Promedio Tubería de Polietileno 160/ A 150 Tubería de Cemento, hierro o metal cementada en el interior Tubera o tubing de cobre, plomo, estao o vidrio 160/ / Madera 145/ Acero con y sin costura 150/ Hierro dúctil o vaciado 150/ Concreto 152/ Acero Corrugado A Determinado con la presencia del labio de fusión interior. Valor Típico del Diseño El flujo de agua que fluye en diferentes materiales y diámetros se puede compara usando la siguiente ecuación. Los subíndices 1 y 2 se refieren a la tubería de la que se conocen los datos y de la que no se conocen. % flujo =100(d 2 / d 1 ) * (C 2 / C 1 ) Manning Para el flujo de agua en un canal abierto bajo una pendiente constante y una sección transversal uniforme del canal, la ecuación Manning puede ser usada. Un flujo de canal abierto existe cuando en una tubería que opera parcialmente llena. Como la formula Hazen-Williams, la ecuación de Manning está limitada para agua o líquidos con la viscosidad cinemática igual al agua. Ecuación de Manning V=(1.486 / n) r 2/3 S 1/2 En donde: V= velocidad de flujo, pies/segundo. n = coeficiente de rugosidad, adimensional (tabla 8). r = radio hidráulico, pies. Página 30

4 r = A / P Manual de Campo A = área de la sección transversal, pies cuadrados. P = perímetro mojado por el flujo, pies. S = pendiente hidráulica, pies/pies. S = h 1 - h 2 / L = h f / L h 1 = elevación aguas arriba de la tubería. h 2 = elevación aguas abajo de la tubería. = perdida por fricción (cabeza), pies de liquido. h f Es recomendable combinar la ecuación Manning con: Q = AV Para obtener Q = (1.486 A/n) r 2/3 S 1/2 Cuando los términos son definidos como en la formula anterior y: Q = flujo, pies cúbicos / segundos Cuando una tubería circular esta operando llena o medio llena r = D / 4 = d / 48 Donde D =diámetro del tubo, pies d = diámetro del tubo, pulgadas Para flujo lleno de la tubería en pies cúbicos por segundo se puede calcular usando: Página 31

5 Q = (6.136 x 10-4 ) (d 8/3 S 1/2 ) / n El flujo a tubo lleno en galones por minuto puede ser estimado usando: Q = (d 8/3 S 1/2 ) / n Tuberías casi llenas moverán mas líquido que una tubería totalmente llena. Cuando la tubería está ligeramente debajo de su capacidad total el radio hidráulico se reduce de manera significativa, pero el área de flujo se reduce muy poco. El flujo máximo de la tubería se alcanza al 93% de la capacidad de la tubería, y la velocidad máxima al 78% de la capacidad de esta. Tabla 8 Valores de n para el uso en la ecuación Manning Superficie Rango de n Diseño típico de n Tubería de Polietileno Tubería de Hierro dúctil sin recubrimiento Tubería de Acero Corrugada Tubería de Concreto Tubería de Cerámica Cristalizada Atarjeas de Cemento y Ladrillos Madera Canales de mampostera Flujos Comparativos para Encamisados La rehabilitación de tuberías de drenaje por gravedad dañadas, se puede realizar instalando un encamisado de polietileno en el interior del tubo original. Para la instalación de un encamisado normal, se requiere de un claro entre el diámetro exterior del tubo nuevo de polietileno y el diámetro interior de la tubería existente. Después de la rehabilitación la sección transversal de la tubería rehabilitada se verá reducida. Sin embargo, los encamisados con tubería de polietileno DriscoPlex tienen una superficie lisa que resiste el envejecimiento y la incrustación. Pese a lo anterior, es posible hacer un encamisado y mantener toda o la mayoría de la capacidad de flujo original. Ver tabla 9 Página 32

6 La capacidad de flujos comparativos de tuberías circulares pueden ser determinadas por las siguientes formulas: % flujo = 100 (Q 1 / Q 2 ) = 100(d 1 8/3 / n 1 ) / (d 2 8/3 / n 2 ) La tabla 9 fue desarrollada usando la formula anterior donde d 1 = Diam. Interior del encamisado y d 2 = Diam. Interior existente del drenaje existente. Página 33

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9 Flujo de Gas Compresible Las fórmulas para estimar los flujos de gas en tuberías lisas de polietileno DriscoPlex se pueden usar: FLUJO DE GAS DE ALTA PRESIÓN Para presiones mayores a 1 psig, la ecuación Mueller de alta presión puede ser usada. Debido a algunas consideraciones de la ecuación, el flujo calculado puede ser diferente al flujo real. Ecuación Mueller de alta presión: Q h = (2826d / S g 0.425)*(p p 2 2 / L) Donde: Q h = flujo, ft 3 estándar /hora. S g = gravedad especifica del gas. (Tabla 35) p 1 = presión de entrada, lb/in 2 absolutas. p 2 = presión de salida, lb/in 2 absolutas. L = longitud, pies. d = Diámetro interior, pulgadas. FLUJO DE GAS DE BAJA PRESIÓN Para presiones menores a 1 psig, como pueden ser las líneas de recolección de biogas en rellenos sanitarios o control de olores en plantas de tratamiento, se puede usar la fórmula de Mueller para baja presión. Ecuación Mueller para baja presión: Q h = (2971d / S g 0.425) (h 1 - h 2 / L) Donde los términos usados son los mismos mas: h 1 = presión de entrada, pulgadas de H 2 O h 2 = presión de salida, pulgadas de H 2 O Página 36

10 Perdidas por Fricción en las Válvulas y Conexiones El flujo que circula por válvulas y conexiones experimentará perdidas por fricción, y esta pérdida se expresa normalmente como el equivalente en la longitud de la tubería. La longitud equivalente se calcula multiplicando el coeficiente de resistencia correspondiente, K, por el diámetro del accesorio, D, en pies. L = K D Manual de Campo Tabla 10 Longitudes Equivalentes de las conexiones, K D Ajuste KD Codo Moldeado de 90º 30 D Codo Moldeado de 45º 16 D Codo Fabricado de 15º 4 D Codo Fabricado de 22.5º 6 D Codo Fabricado de 30º 8 D Codo Fabricado de 45º 12 D Codo Fabricado de 60º 16 D Codo Fabricado de 67.5º 18 D Codo Fabricado de 75º 20 D Codo Fabricado de 90º 24 D Tee recta de ramaleo (con silleta) 60 D Tee recta 20 D Válvula de Globo convencional, abierta 350 D Válvula de Angulo convencional, abierta 180 D Válvula Convencional de Compuerta, abierta 15 D Válvula de Mariposa abierta 40 D Válvula Convencional Check de Columpio 100 D Página 37

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