FLUJO EN TUBOS A PRESIÓN [PDF]
Autor: Darío Guaycochea
Universidad Autónoma Metropolitana
1992
PRESENTACIÓN
El objetivo general de esta obra es: Explicar el fundamento y desarrollar habilidades para el cálculo de tubos y de redes de tubos a presión en régimen permanente, principalmente como texto universitario a nivel de licenciatura. Son abundantes los libros que tratan este tema como un capítulo más de un texto de Mecánica de fluidos, pero pocos los que se refieren a él específicamente. La idea de su elaboración surge de la inquietud de facilitar al alumno un material de estudio claro, completo y didáctico, especialmente para su uso en el curso de Hidráulica de la UAM Azcapotzalco. En efecto este libro cubre la primera parte de ese curso pero también es útil para el de Mecánica de Fluidos, asignatura en la que también se ve el tema de flujos a presión como aplicación de las ecuaciones fundamentales. Siendo ambas materias tomadas por un número importante de alumnos de varias carreras, se ha pensado que el beneficio puede ser importante. Por otro lado este libro será útil también como material de consulta en otros cursos en los que se ocupa el tema, tales como Turbomaquinaria, Instalaciones industriales. Abastecimiento de agua, Instalaciones en edificios, etcétera.
El alumno de Hidráulica podrá encontrar aquí sin dificultad todo lo referente al tema, tanto en el aspecto teórico como en el práctico; pero por otro lado es necesario destacar que esta obra fue concebida como libro y no como apuntes de curso. No es una copia fiel del discurso del profesor, sino que se ha aprovechado para desarrollar algunos temas y presentar variedad de ejemplos con más calma de la que permite el tiempo limitado del que se dispone en la cátedra. Se han incluido además gráficas, tablas y todo tipo de ayudas de cálculo, de manera que pueda ser útil también como manual de consulta.
Si bien muchos de los puntos que aquí se tratan son expuestos en otros libros, se ha buscado darles un ordenamiento más claro y didáctico. Por otro lado se ha puesto gran empeño en lograr una obra actualizada, por lo cual se han incorporado los resultados de trabajos recientes, como lo son el método de las dos К para el cálculo de pérdidas por accesorios, fórmulas para el cálculo de longitudes equivalentes y el análisis de los métodos empleados en la actualidad para el cálculo de redes. También se ha procurado en los ejemplos reproducir problemas reales, con materiales y técnicas empleados en la actualidad.
Desde el punto de vista de su estructura didáctica se han procurado los siguientes aspectos:
- Explicar los temas con toda claridad a partir de su fundamento ñsico; la formación académica de un ingeniero demanda que se conozca la tecnología desde su fundamento y no a partir de recetas de cocina. Esto no significa sin embargo que se hagan extensas deducciones matemáticas; al contrarío, se ha logrado emplear simplemente conceptos de matemática elemental que no pasan de la resolución de ecuaciones diferenciales por variables separables. SÍ bien en algunos temas introductorios se requiere del cálculo de varías variables, esto se ha resuelto exponiéndolos por la vía del análisis integral, ya que si bien la derivada es un concepto previo a ta integral, el estudiante entiende con mayor facilidad esta última, que no es más que una suma de infinitos términos elementales. Aquellos problemas que no pueden ser resueltos por aplicación de ecuaciones básicas se exponen también con criterio científico, específicamente con aplicación del análisis dimensional.
- Exponer ordenadamente las metodologías y algoritmos de cálculo; la mayoría de ellas adaptadas al cálculo manual, algunas al cálculo automático; en lo que respecta a este último caso se ha desdeñado la inclusión de programas de cómputo, inclusive de pseudocódigos por considerar que esto diste del objetivo principal del libro; esto queda para el alumno, quien no pocas veces sorprende al profesor por su habilidad para resolver este tipo de problemas.
- Presentar abundantes y variados problemas resueltos explicados minuciosamente.
- Poner a disposición del lector variedad de problemas propuestos.
- Emplear una nomenclatura y una simbología ordenadas y lógicas.
- Introducción, en el que se hace un resumen de los temas de Mecánica de fluidos que sirven de fundamento al cálculo de tubos a presión. El aspecto esencial de este capítulo es que sirve de enlace entre el curso de Hidráulica y su prerrequisito que es Mecánica de fluidos.
- Pérdidas de energía primarías.
- Pérdidas secundarías. Accesorios en tuberías.
- Tubo sencillo.
- Tubos en serie y en paralelo.
- Redes.
CONTENIDO
1. Introducción
1.1 Concepto de tubos a presión
1.2 Empleo y características técnicas
1.3 Ecuaciones de conservación
13.1 Relaciones integrales para un volumen de control
13.2 Ecuaciones de conservación para un volumen de control simplificado
133 Ecuaciones de conservación para un tubo a presión circular recto
13.4 Diagrama de energía
Resumen del capitulo
Problemas propuestos
2. Pérdidas de energía primarias
2.1 La fórmula de Darcy-Weisbach y el factor de fricción
2.2 Regímenes de flujo
2.3 Flujo laminar
2.4 Flujo turbulento
2.4.1 Ecuación de Coolebrook y White
2.4.2 Tubos lisos y rugosos
2.4.3 J Envejecimiento de la tubería
2.5 Diagrama de Moody
2.5.1 Empleo del diagrama
2.5.2 Formas alternativas del diagrama de Moody
2.6 Tubos de sección no circular
2.7 Fórmulas empíricas
2.7.1 Fórmulas de Hazen-Williams, Scimemi y Manning-Strickler
Resumen del capítulo
Problemas propuestos
3. Pérdidas secundarias. Accesorios en tuberías
3.1 Naturaleza física de las pérdidas secundarias
3.2 Evaluación de las pérdidas secundarías
3 3 Pérdidas en expansiones y salidas
3.4 Pérdidas en reducciones y entradas
3.5 Pérdidas en codos y curvas
3.6 Pérdidas en uniones y bifurcaciones
3.7 Pérdidas en válvulas
3.7.1 Válvula de compuerta
3.7.2 Válvulas de globo, de codo y de aguja
3.73 Válvulas de mariposa y esférica
3.7A Válvulas antiretorno
3.7.5 Válvulas de aire, de alivio у reductora de presión
3.8 Pérdidas por medidores
3.9 Otros accesorios
3.10 Tendencias modernas en la evaluación del coeficiente К '
Resumen del capítulo
Problemas propuestos
4. Tubo sencillo
4.1 Cálculo de pérdidas en tubos con accesorios
4.2 Importancia relativa de las pérdidas secundarias
4.3 Longitudes equivalentes
4.4 Cálculo del gasto en tubos con accesorios
4.5 Conducciones con bombas y turbinas
4.6 Gasto en ruta
4.7 Flujo no permanente
4.8 Diámetro económico
Resumen del capítulo
Problemas propuestos
5. Tubos en serie y en paralelo
5.1 Tubos en serie
5.2 Tubos en paralelo
53 Tubo equivalente
5.4 Combinación de tubos en serie y en paralelo
Resumen del capitulo
Problemas propuestos
6. Redes
6.1 Elementos componentes de una red de tubos a presión
ti.2 Sistema de ecuaciones
6.2.1 Ecuaciones de tramo
6.2.2 Ecuaciones de nudo
6.2.3 Ecuaciones de circuito
6.3 Planteo del problema
6.4 El problema de los tres depósitos
6.5 Resolución de redes abiertas
6.6 Resolución de redes cerradas. El método de Hardy Cross
6.7 Otros métodos de resolución de redes
6.7.1 Clasificación de los métodos
6.7.2 Técnicas de optimización
6.7.3 Análisis comparativo
Resumen del capítulo
Problemas propuestos
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