Sistemas de tuberías
Tuberías en serie
Se dice que las tuberías están en serie is son conectadas extremo con extremo de forma que el fluido circule en forma continua sin ningún ramal. Por la ecuación de continuidad, el caudal que circula por un conjunto de tuberías en serie se mantiene constante a lo largo de todo el sistema.
Se cumplen las siguientes condiciones:
El caudal Q es el mismo a lo largo de toda la conducción:
y la pérdida de carga de toda la conducción es la suma de las pérdidas de carga de todos los diámetros:
El problema que suele presentarse en tuberías en serie es cuando existen distintos diámetros y/o rugosidades, se requiere determinar el diámetro equivalente de la misma. La influencia de las pérdidas de carga locales son despreciables, a menos que las longitudes fuesen muy pequeñas.
Las pérdidas de carga que origina este caudal al atravesar cada tramo será:
Teniendo en cuenta los criterios anteriores, siendo D el diámetro equivalente, alfa el coeficiente de rugosidad y L la longitud se verificará:
En general los diferentes coeficientes de fricción serán muy parecidos. Admitimos:
Y la ecuación queda más simplificada:
Tuberías en paralelo
Se dice que arias tubería están conectadas en paralelo si el flujo original se ramifica en dos o más tuberías que vuelven a unirse de nuevo aguas abajo.
El flujo llega al nudo A se ramifica fluyendo por las tres tuberías. En el nudo B convergen todas las tuberías y el flujo original circula por él. Las tuberías representadas se encuentran ubicadas en el plano horizontal. Se cumplen las siguientes condiciones:
La pérdida de carga entre los nudos A y B es la misma en cada una de las ramas que unen los dos nudos.
En general el problema que suele presentarse en una condicción en paralelo con distintas longitudes, diámetros y/o rugosidades, es calcular el diámetro D de una única tubería equivalente (igual caudal y pérdida de carga hr) correpondiente a la longitud.
Ecuación de pérdida de carga para cada conducto:
Que simplificando obtendríamos:
Redes de tuberías
Se habla de redes de tuberías cuando el fluido se lleva de un punto hacia diversos puntos a través de varios caminos. Este tipo de configuración es común en sistemas de acueductos, en donde se forman ramificaciones complicadas formando mallas. Esta configuración posee la virtud de permitir realizar reparaciones a algún sector del sistema sin tener que interrumpir el suministro.
El cálculo de sistemas de tuberías de este tipo es laborioso y se hace por medio de aproximaciones sucesivas de Hardy Cross. En un sistema de este tipo se cumplen las leyes:
Ley de pérdida de carga:
En donde el valor R se puede calcular por medio de los métodos, sin embargo por la complejidad del cálculo para tuberías de agua a temperaturas normales se suele usar el método de Hazen Williams. De esta forma se obtiene un valor R que no depende del número de Reynolds, por lo cual este se puede mantener constante para todo el cálculo. En general en la solución de problemas de mallas se suelen despreciar las pérdidas secundarias en los nodos del mismo, pero se toma en cuenta el resto de las pérdidas secundarias.
Ley de nodos:
El caudal que sale de un nodo debe ser igual a la suma de los caudales que salen de otro nodo.
Ley de las mallas:
La suma algebráica de las pérdidas de carga en una malla debe ser cero.
Sistemas de flujo por gravedad
Un sistemas de conducción por gravedad es aquel que permite que se transporte el agua desde el punto de captación de la fuente hasta el tanque de almacenamiento, sin un bombeo mecanizado. La característica principal de estos sistemas es que la fuente está localizada en una posición más alta que aquella donde está la comunidad o donde se suministra el agua.
Ventajas:
- Mínima opertación y mantenimiento.
- No se necesitan bombas, por lo que no es requerida energía adicional o externa para el funcionamiento.
- Se puede tener servicio constante.
- Se crean pocos cambios de presión.
Desventajas:
- Costos de construcción más altos que con extracción de pozos.
- Relieve y calidad de terreno posiblemente imposibilite la colocación de tuberías.
La conducción de agua por gravedad, se clasifica en dos tipos de sistemas de flujo: libre y a presión. En el primero, la presión corresponde a la del aire o la presión atmosférica y el agua conducida por el sistema está en contacto con el aire por lo que su flujo es libre. Este es característico de canales abiertos o, incluso, tuberías que trabajan sin estar completamente llenas (trabajan a un caudal menor al máximo) pero con permanente movimiento de agua. Es la más fácil de operar porque no necesita reguladores de presión ni infraestructuras de control, siendo un sistema sencillo y económico, requiriendo de poco mantenimiento.
En los de presión, las tuberías trabajan completamente llenas, lo que crea una presión igual o superior a la atmosférica; por ello, se requiere mantener una determinada presión en el sistema por lo que tanto ésta como el flujo de agua se regula a través de válvulas y cámaras rompe carga.
Potencia de bombeo
Ecuación general de las bombas
Eucación de Euler para las bombas
Marca el comportamiento de las bombas (generadores hidráulicos)
La H total es la altura tottal suministrada por el rodete, pero en el interior de la bomba existen pérdidas HlintB.
De este modo la altura útil o manométrica, Hman es:
Aplicando Bernoulli entre la entrada y salida de la bomba se tiene:
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