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1º PARCIAL Instalaciones Industriales (Rodríguez).
1. ¿Qué es la presión hidrostática o manométrica en una cañería? Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática,, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:
Donde, usando unidades del SI, • • • • •
es la presión hidrostática (en pascales); es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico); ); es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado); es la altura del fluido (en metros). ). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior es la presión atmosférica
Otra forma: En cada punto nto de un líquido en equilibrio, y sobre un elemento de superficie cualquiera, actúa una presión unitaria normal. Ella es independiente de la dirección del elemento considerado, pues su valor es el mismo en todas direcciones, y se la denomina presión hidrostática
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Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. atmosférica Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama l presión de vacío. Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica atmosf como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica. manométrica Presión absoluta y manométrica: manométrica: La medición de la presión de un fluido se debe efectuar en relación con alguna presión de referencia (normalmente la presión atmosférica). La presión que arroja la medición del fluido se lo llama presión manométrica. La presión que se mide en relación con un vacío perfecto se denomina presión absoluta. Pabs = Patm + Pman La presión medida del manómetro se mide en relación a la atmosférica. No existe la presión absoluta negativa, como mínimo será cero. Una presión manométrica inferior a la presión atmosférica será negativa y en determinadas ocasiones se lo llamará vacío. 2. ¿Qué es la presión total en una cañería con un fluido en movimiento y de qué factores depende? La presión total que ejerce un fluido -bien sea gaseoso o líquido- se define como la suma de la presión estática y la presión dinámica. dinámica
Donde P0 = Presión total en pascales Ps = Presión estática en pascales Pd = Presión dinámica en pascales De esta manera, cualquier presión ejercida por un fluido la cual no es ejercida por el movimiento o velocidad del fluido es llamada presión estática del fluido. Para fluidos en reposo (estáticos) la presión dinámica es nula y la presión estática es igual a la presión total. Mientras que la presión dinámica actúa únicamente en la dirección del flujo, la presión estática tica actúa por igual en todas las direcciones y siempre en ángulo recto con todas las superficies que contengan al fluido. 2
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3. ¿Qué es la velocidad crítica de un fluido? Clasificación de las corrientes de agua generadas por el grado de turbulencia: Corrientes laminares: Las partículas del líquido recorren trayectorias rectas y paralelas entre sí Corrientes turbulentas Movimiento desigual de cada partícula (Pérdidas de energía) Movimiento laminar < velocidad crítica < Movimiento turbulento La velocidad crítica depende del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido. Para cualquier fluido se presentan las condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental del orden de 2.300 Re = ρ * V * D / µ Dado que υ =µ/ρ El número de Reynolds en función de la viscosidad cinemática será: Re = V * D / υ Por tanto la velocidad crítica se obtiene Re = 2.300 = Vc * Dc / υ 4. ¿Qué es el Schedule de un caño? Es el espesor de los caños, que son clasificados en series (Schedule) que se obtienen por una fórmula de aproximación empírica:
1000.
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5. ¿Cuál es la función de una válvula esclusa en una instalación? La válvula esclusa está diseñada para producir la mínima fricción y turbulencia, con lo que se logran caídas de presión poco significativas. Esta válvula se utiliza únicamente en posición abierta o cerrada. No debe utilizarse para control de flujo ya que si el obturador se mantuviese en posición intermedia, inter éste y los asientos se desgastarían en poco tiempo. Además no existe proporcionalidad entre apertura y cierre. 6. Nombre y describa los diferentes Tipos de válvulas. •
VÁLVULAS DE CIERRE • • •
•
VÁLVULAS DE ESTRANGULACIÓN • • •
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VÁLVULAS DE COMPUERTA (ESCLUSA) VÁLVULAS DE MACHO (TAPÓN) VÁLVULAS DE BOLA
VÁLVULAS GLOBO VÁLVULAS DE MARIPOSA VÁLVULAS DE DIAFRÁGMA
VÁLVULAS DE RETENCIÓN • • • • •
VÁLVULA DE CLAPETA BASCULANTE VÁLVULAS HORIZONTALES DE TIPO ELEVACIÓN VÁLVULAS DE RETENCIÓN DE BOLA VÁLVULA DE RETENCIÓN DE PIE VÁLVULAS RES RESTRINGIDAS
•
VÁLVULAS DE CONTROL
•
VÁLVULAS DE SEGURIDAD
Válvula de Retención: Su función principal es impedir el paso del fluido en una dirección determinada. Mientras el sentido del fluido es correcto, la válvula se mantiene abierta. Cuando el fluido pierde velocidad o presión,, la válvula tiende a cerrarse, evitando el retroceso del fluido. Estas válvulas anti retorno son ampliamente utilizadas en tuberías conectadas a sistemas de bombeo para evitar golpes de ariete, te, sobre todo, en la línea de descarga. 4
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Válvula de compuerta: La apertura y cierre se produce mediante el movimiento vertical de una pieza interior en forma de cuña que encaja en el cuerpo. Esta cuña puede estar recubierta de goma o de metal especial, por lo que la estanqueidad es muy buena. Válvula de Bola: La apertura y cierre se produce por el giro de una esfera que tiene un agujero transversal. Al girar la maneta, también gira un eje que esta acoplado a la esfera. Unas juntas de teflón, garantizan la estanqueidad.
Válvula de seguridad Están diseñadas para liberar fluido cuando la presión interna supera el umbral establecido. Su misión es evitar el fallo del equipo o tubería por exceso de presión. También los hay que liberan el fluido cuando la temperatura supera el límite establecido. Se usan en calentadores de agua, compresores de aire o estaciones de suministro de gas natural. Los hay mecánicos, eléctricos y electrónicos. Válvula de Globo: Sirve para regular la cantidad de flujo que pasa por ella. El elemento de cierre asienta sobre la sección circular. A medida que el elemento se cierre se aproxima al asiento, la sección de paso se reduce y por lo tanto, aumenta la perdida de carga disminuyendo el caudal. Un ejemplo de su utilización es en los motores de combustión interna.
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7. ¿Qué es la pérdida de carga? El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominadas habitualmente Pérdidas de carga. En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga está relacionada con otras variables fluidodinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento. Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producirán pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas, etc. 8. Definir longitud equivalente y ¿para qué se usa? En términos básicos, el concepto de Longitud Equivalente consiste en definir, para cada accesorio en el sistema a estudiar, una longitud virtual de tubería recta que, al utilizarse con la ecuación de pérdida por fricción, genere la misma pérdida asociada a la pérdida localizada del referido accesorio. De esta forma, tanto las Pérdidas por Fricción como las Pérdidas Localizadas, para cada diámetro en el sistema, serán evaluadas con la misma ecuación de Pérdidas por Fricción para obtener la Pérdida Total (ht) del sistema, sólo que a la longitud de tubería real (Lr) se le adicionará la suma de la Longitud Equivalente de cada accesorio, para tener así una longitud de cálculo Para el método de la Longitud Equivalente, se requiere recurrir a tablas o Nomogramas en los que se determine, de acuerdo a las características de la pieza (tipo y diámetro), la Longitud Equivalente a introducir en la ecuación de pérdida por fricción que estemos utilizando. Por ejemplo: .
.
2.
LE: Longitud equivalente extraído de tabla
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9. Definir presión estática. Presión Estática: Es la presión que se ejerce en un punto de un fluido cuando este fluido esta en reposo (estático).
10. Gráfico de caudal en función de la apertura de una válvula
11. Diferencia entre caño y tubo. La denominación de "caño"(pipe) identifica a estos materiales por dos características fundamentales: 1) Sus diámetros nominales en pulgadas NO coinciden con los exteriores hasta 12" inclusive. De 14" en adelante el diámetro nominal coincide con el diámetro exterior. 2) Sus espesores son clasificados en series (Schedule) que se obtienen por una fórmula de aproximación empírica:
1000. P = presión interna en psi σ = tensión admisible del material en psi
En cambio los "tubos" (tubes) se caracterizan por: 1) Sus diámetros nominales COINCIDEN con los diámetros exteriores. 2) Sus espesores se definen por un número de calibre o gage BWG (Birmingham WireGage).
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Cortesía de “vht” Para identificar un caño, basta pedir, por ejemplo 2" Sch. 40 significa un caño de 2,375" de diámetro exterior y 0,154" de espesor. Para identificar un tubo, basta pedir, por ejemplo 2" BWG 12 significa un tubo de 2" de diámetro exterior y 0,109" de espesor. Como se ve, son dos productos totalmente diferentes, aunque puedan ser usados para servicios idénticos Aparte de las diferencias en denominación, dimensiones y materiales, los tubos y caños se aplican para usos totalmente distintos. Cuando la conducción constituye en sí misma un elemento estructural se deberán utilizar caños, por su resistencia como tal. Del mismo modo, los diámetros de fabricación de los caños son mucho más amplias que la de los tubos que rara vez pasan las 6", siendo su uso más difundido hasta 2". Por otra parte, los requerimientos de fabricación de los tubos son más exigentes que los de los caños. Así, rara vez se usan caños para un intercambiador de calor, donde el sellado se efectúa por mandrilado. El calibrado de los tubos y un menor espesor uniforme garantiza un mejor intercambio térmico sin que aumente rápidamente el ensuciamiento del equipo.
12. Tipos de unión en cañerías industriales. Para unir las distintas tuberías, unas a otras y a los demás componentes, Existen distintos tipos de uniones: soldadas, roscadas, bridadas y ranuradas, entre otras.
La junta soldada es una de las más comunes. El proceso de soldadura depende del material de la tubería. Por ejemplo, una de acero al carbón se debe unir con soldadura de arco, en una de cobre se debe emplear oxiacetileno, y en las de acero inoxidable, TIG (Tungsten Inert Gas). Los tres procesos son diferentes, al igual que el equipo y el procedimiento. Las juntas roscadas se utilizan en las tuberías de 2 pulgadas o menos, de metales en los que las paredes son lo suficientemente gruesas como para soportar la presión y la corrosión después de la reducción de su espesor, que genera el fileteado de las roscas. Para tamaños mayores a 2 pulgadas es recomendable utilizar juntas bridadas, mediante empaques que resistan la corrosión de los fluidos que se manejan. En general para las bridas (tipo de unión con tornillos) ANSI de 300 libras y de clasificaciones más bajas, se utilizan empaques de láminas de asbesto comprimidas (750º F máximo). Para presiones más elevadas, 1100º F como máximo, y en servicios que tienen fluidos cíclicos o con dificultades de retención; el asbesto se combina con metal devanado en espiral. Este tipo de brida, con un acabado liso, se usa en los servicios de vapor a alta presión.
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Los pernos de sujeción de las bridas de acero deben ser de acero de aleación, con la excepción de las bridas de clase 150 y 300 libras a 500º F y por debajo, en las que se pueden utilizar pernos de acero con bajo contenido de carbono grado B. En las juntas ranuradas, se generan las mismas en la tubería, se utiliza un empaque y se unen con tornillos. Es un método seguro y económico, en cuanto a su instalación, que se utiliza en sistemas de incendio con diámetros mayores a 1 pulgada, y en sistemas de tuberías de agua helada. Un punto muy importante a tener en cuenta es que en la construcción de diferentes dispositivos como tuberías o para fijar la unión de piezas es necesario utilizar métodos de uniones confiables y efectivas. Las separaciones entre las piezas pueden provocar desde fallas ligeras hasta considerables en los sistemas como tuberías o maquinaria. El uso de tuercas o puntos de soldadura suelen ser una buena opción de métodos de unión, sin embargo, no son capaces de soportar determinadas condiciones de trabajo y suelen romperse. En esos casos en los que se necesita fijar permanentemente se utilizan los remaches. Los remaches Se puede considerar a los remaches como pasadores de metal que sirven para llevar a cabo una unión entre dos piezas. Es un elemento de fijación formado por un cilindro, conocido como vástago, con una cabeza en uno de sus extremos. La cabeza de los remaches, también llamados roblones, debe tener un diámetro mayor que el vástago, esto permitirá que los remaches sean encajados en las áreas perforadas de las dos piezas que se van a unir. Un aspecto importante de los remaches, es que permiten unir dos piezas que pueden o no ser fabricadas con el mismo material. Las uniones reforzadas con remaches son permanentes y se realizan utilizando una herramienta especial conocida como remachadora. La función de la remachadora es insertar y fijar los remaches de manera que la unión sea firme y permanente. Aplicaciones de los remaches Los remaches son una de las formas de unión más antiguas, pero también de las más utilizadas actualmente, sobre todo en procesos de fabricación de productos como: -
Metales laminados Autopartes Muebles Computadoras 9
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Aparatos militares Electrodomésticos, entre otros.
Ventajas de los remaches La principal ventaja del uso de remaches es la fijación permanente de las piezas en las que se aplica. También tiene otras ventajas, entre las que se encuentran las siguientes: -
El proceso de remachado es considerablemente más barato que otros métodos de unión. Los remaches se pueden aplicar a dos o más piezas y no tienen que ser necesariamente del mismo material. El remachado es un proceso que fácilmente se puede automatizar. Se puede aplicar cuando sólo se tiene acceso a la cara externa de las piezas, lo que se conoce como unión ciega. Los materiales y diseños de los remaches son variados, lo que permite acabados más estéticos y facilitan la elección del diseño más adecuado por su funcionalidad y visibilidad. 13. ¿Qué entiende por rugosidad y cómo afecta en la circulación de los fluidos? La rugosidad es el conjunto de irregularidades que posee una superficie. La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial. Éste, permite definir la microgeometría de las superficies para hacerlas válidas para la función para la que hayan sido realizadas. Es un proceso que, en general, habrá que realizar para corregir los errores de forma y las ondulaciones que pudiesen presentar las distintas superficies durante su proceso de fabricación (fundición, forja, laminación, etc). La rugosidad en las paredes del caño, aumenta la superficie de contacto con el fluido, generando en consecuencia un aumento de fricción, con las posibles pérdidas de velocidad o posibles turbulencias. 14. ¿Para qué se utilizan las válvulas? Una válvula es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación de líquidos o gases mediante una pieza móvil que abre, cierra y obstruye en forma parcial uno o más conductos.
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