Fluido en el tubo: preguntas y respuestas.

El tema de este artículo es fluido en la tubería. Debemos familiarizarnos con las leyes físicas y las fórmulas que describen su movimiento, velocidad y volumen. Intentaremos no profundizar en los complejos cálculos: nuestra tarea consiste en describir aquellos patrones que serán comprensibles y accesibles para el cálculo para una persona que está lejos de la hidrodinámica.

Así que vamos a empezar.

Dimensiones

Diámetro

En el caso de las tuberías de agua y gas, se trata de un sistema de medición no muy común. Para las tuberías respectivas, el concepto un tanto inusual de paso condicional, o diámetro nominal (DU), se utiliza como parámetro principal. Se mide tanto en pulgadas como en milímetros; el mismo tubo VGP se puede vender como 1 1/4 pulgadas o DU32 mm.

Referencia: como medida de longitud en este caso, se utiliza la pulgada británica, igual a 2.54 centímetros. Al convertir pulgadas a milímetros, se debe tener en cuenta el paso de los diámetros nominales previstos por GOST; por lo tanto, en el caso anterior, un simple recálculo de 1 1/4 pulgadas en milímetros dará no 32, pero 1.25x2.54 = 31.75 mm.

Damos las dimensiones de las tuberías de agua y gas estipuladas por GOST 3262-75.

Como el grosor de la pared varía dentro del mismo tamaño (los tubos son ligeros, ordinarios y reforzados), podemos decir que el DU generalmente está cerca del diámetro interno, pero, por regla general, no es igual a él.

Seccion

En la construcción de tuberías de agua se utilizan, con raras excepciones, tuberías redondas.

Hay dos muy buenas razones para esto.

1. Un tubo redondo tiene un área de pared mínima con un área de sección transversal máxima.. Por lo tanto, el precio por metro de tubería con un espesor de pared fijo será mínimo, simplemente debido al menor consumo de material.
2. Sección redonda para la máxima resistencia a la tracción.. El hecho es que la fuerza con la que el ambiente interno presiona excesivamente contra las paredes es directamente proporcional a su área; y el área, como ya hemos descubierto, es mínima solo en el tubo redondo.

El área de la sección transversal interna se calcula utilizando la fórmula S = Pi * R ^ 2, donde S es el valor del área deseada, Pi es el número de pi, aproximadamente igual a 3.14159265, y R es el radio (la mitad del diámetro interno). Por ejemplo, para una tubería con un diámetro interno de 200 mm, la sección será 3.14159265x (0.1 ^ 2) = 0.031 m2.

Dado que el flujo de un fluido en una tubería circular no siempre está asociado con el llenado de todo su volumen, el concepto de una sección viva se usa a menudo en los cálculos. Llamado así el área de flujo. Por ejemplo, cuando se llena una tubería exactamente a la mitad, será igual a (Pi * R ^ 2) / 2 (en el ejemplo anterior, 0.031 / 2 = 0.00155 m2).

Volumen

Averigüemos cuál es el volumen de fluido en la tubería. En términos de geometría, cualquier tubo es un cilindro. Su volumen se calcula como el producto de la sección transversal y la longitud.

Entonces, con un área de sección transversal de 0.031 m2, el volumen de líquido en una tubería completamente llena con una longitud de 8 metros será igual a 0.031x8 = 0.248 m3.

Para una tubería parcialmente llena, se usa la sección viva promedio para el cálculo. Con una pendiente y un flujo constantes, el movimiento del fluido a través de las tuberías será uniforme; en consecuencia, la sección viva será la misma en todas las secciones de la tubería sin presión.

El consumo

Entenderemos cómo se ve el cálculo del caudal de líquido a través de la tubería. La tarea tiene un gran valor práctico: está directamente relacionada con los cálculos de tuberías de agua con un número conocido de accesorios de plomería.

Debe estar triste por el hecho de que no existe un método de cálculo simple y universal. Por que

Solo porque al realizar un cálculo hidrodinámico completo con sus propias manos, debe tener en cuenta una gran cantidad de factores:

• Coeficiente de fricción de la superficie interna del tubo. Obviamente, el acero rugoso recubierto de sedimento proporcionará mucha más resistencia al movimiento del agua que el polipropileno suave.

• La longitud de la tubería. Cuanto mayor sea la distancia para atravesar el líquido, mayor será la caída de la presión debido a la desaceleración del flujo contra las paredes, mayor será la disminución del consumo.
• El diámetro de la tubería afecta el flujo de fluido viscoso a través de las tuberías de una manera mucho más complicada de lo que parece. Cuanto menor sea la sección transversal, mayor será la resistencia de la tubería a fluir. La razón es que a medida que el diámetro disminuye, la proporción de su volumen interno y área de la pared cambia.

Presta atencion En una tubería gruesa, la parte de la corriente más cercana a las paredes actúa como un tipo de lubricante para su interior. En una capa delgada, el espesor de este lubricante es insuficiente.

• Finalmente, cada giro de la tubería, la transición de diámetro, cada elemento de la válvula de cierre también afecta la velocidad de flujo en ella, reduciendo la velocidad del flujo.

Debe entenderse que todos estos factores no afectan el resultado en un pequeño porcentaje: por ejemplo, para una nueva tubería de acero con una superficie interior pulida y para depósitos demasiado crecidos (incluso sin tener en cuenta la caída en la luz), la resistencia hidrodinámica difiere en más de 200 veces.

Para los profesionales, todo lo necesario para el cálculo hidráulico de la tubería, teniendo en cuenta su configuración completa, el material y la antigüedad, se encuentran en las tablas F.A. Sheveleva. Sobre la base de estas tablas, se han creado muchas calculadoras en línea que le permiten realizar cálculos con diferentes grados de confianza.

Sin embargo, hay un vacío que le permite simplificar significativamente los cálculos independientes. En el flujo de fluido a través del orificio, insignificante en comparación con la tubería de suministro de líquido (que, de hecho, observamos cuando se trabaja con la mayoría de los dispositivos de plomería), se aplica la ley de Torricelli.

De acuerdo con esta ley, en el caso descrito, la fórmula V ^ 2 = 2gH, donde V es la velocidad de flujo en el agujero, g es la aceleración de la gravedad (9.78 m * s ^ 2) y H es la altura de la columna sobre el agujero o algo así. Lo mismo, presión delante de él.

Referencia: 1 atmósfera (1 kgf / cm2) corresponde a la presión de una columna de agua de 10 metros.

¿Cómo se correlaciona la tasa de flujo en el agujero con el flujo? En nuestro caso, la instrucción de cálculo es simple: un volumen de fluido igual al producto S y el caudal V pasarán por el orificio con el área de sección transversal S

Como ejemplo, calculemos el flujo de agua a través de un orificio con un diámetro de 2 centímetros a una presión de 10 metros, correspondiente a una atmósfera de exceso de presión.

1. V ^ 2 = 2 x 9.78 * 10 = 195.6
2. V es igual a la raíz cuadrada de 195.6. El resultado (13.985706 m / s) para facilitar el cálculo se redondea a 14 m / s.
3. El área de la sección transversal del orificio con un diámetro de dos centímetros según la fórmula anterior es 3.14159265 * 0.01 ^ 2 = 0.000314159265 m2.
4. El gasto, por lo tanto, será igual a 0.000314159265 * 14 = 0.00439822971 m3 / s. Para mayor comodidad, lo traduciremos en litros: como 1 metro cúbico es igual a 1000 litros, en el residuo seco habrá un resultado de 4.4 litros por segundo.

Para completar, presentamos algunos datos de referencia.

Tasa de flujo

¿Cuál es el cálculo del caudal de fluido en la tubería? En el caso de que salga a través de un agujero de pequeño diámetro, se aplica la ley de Torricelli anterior.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, la tasa de flujo del fluido en la tubería se calcula para una tubería larga cuya resistencia hidráulica no se puede descuidar. Si es así, nos enfrentamos a los mismos problemas: demasiados factores afectan la velocidad con una diferencia constante en la sección.

La situación se simplifica enormemente si conocemos el gasto. Para líquidos incompresibles, funciona una fórmula simplificada para la ecuación de continuidad: Q = Av, donde Q es el flujo de agua en metros por segundo, A es el área de una sección viva o completa, v es la velocidad promedio de un líquido en una tubería de sección circular o cualquier otra forma.

Conociendo los datos de referencia anteriores del consumo de agua por equipos sanitarios, es fácil calcular la velocidad del flujo en una tubería de agua de un diámetro conocido.

A modo de ejemplo, averigüemos qué tan rápido se moverá el agua en la tubería de suministro de agua fría con un diámetro interno de 15 mm (0,015 m) mientras se llena el tanque de drenaje, utilizando un lavaplatos y un lavabo.

1. El consumo total de agua de los dispositivos, según la tabla anterior, será de 0.1 + 0.3 + 0.12 = 0.52 l / s, o 0.00052 m3 / s.
2. El área de la sección transversal de la tubería es 3.14159265 x 0.0075 m ^ 2 = 0.000176714865625 m2.
3. El caudal en metros por segundo es 0.00052 / 0.000176714865625 = 2.96.

Para referencia, damos algunos valores de la velocidad del agua en las tuberías para varios propósitos.

Útil: el caudal de hasta 1,5 m / s se considera cómodo y no causa la aceleración de la erosión abrasiva de las paredes de la tubería. Un aumento temporal en la velocidad de hasta 2,5 m / s es aceptable.

Diámetro y presión

Otro aspecto interesante del comportamiento de un fluido en una tubería es la relación entre la velocidad de flujo y la presión estática en ella. Está descrito por la ley de Bernoulli: la presión estática es inversamente proporcional a la velocidad del flujo.

La aplicación práctica de esta ley se materializa en muchos mecanismos modernos.

Aquí hay solo un par de ejemplos:

• La pistola de pulverización neumática funciona precisamente debido a la rareza creada en el chorro de aire, que literalmente aspira el tinte del tanque y lo convierte en un aerosol portátil en la superficie pintada.
• En la unidad de ascensor de una casa conectada a la red de calefacción, el vacío en el chorro de agua creado por la boquilla de la tubería de suministro atraviesa la parte de succión del agua desde el retorno al ciclo de circulación repetida.

Conclusión

Esperamos que el lector no encuentre nuestra pequeña excursión a los fundamentos de la física, la geometría y la hidrodinámica demasiado aburrida. Como de costumbre, se puede encontrar información temática adicional en el video de este artículo (ver también Tubos de chimenea: Instalación y mantenimiento).

¡Éxitos!