flujo en fase gaseosa

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PDVSA N° TITULO REV . FECHA DESCRIPCION P AG. REV . APROB. APROB. APROB. FECHA APROB. FECHA FLUJO DE FLUIDOS E PDVSA, 1983 MDP–02–FF–04 FLUJO EN FASE GASEOSA APROBADA MAR.96 MAR.96 MAR.96 0 45 F .R. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO ESPECIALISTAS PDVSA

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PDVSA Ndeg TITULO

REV FECHA DESCRIPCION PAG REV APROB APROB

APROB FECHAAPROBFECHA

FLUJO DE FLUIDOS

E PDVSA 1983

MDPndash02ndashFFndash04 FLUJO EN FASE GASEOSA

APROBADA

MAR96 MAR96

MAR960 45 FR

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Indice

1 OBJETIVO 2

2 ALCANCE 2

3 REFERENCIAS 2 31 Manual de Disentildeo de Proceso 2

32 Praacutecticas de Disentildeo 2

33 Otras Referencias 2

4 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISENtildeO 2 41 Consideraciones Generales 2

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten 3 43 Tuberiacutea Recta 4

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante) 6

45 Tuberiacutea No Horizontal 7

46 Cambios de Temperatura 7

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos 7

48 Orificios Boquillas y Venturis 7

49 Contracciones y Expansiones 8

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO 8 51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas 8

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea 22

6 PROBLEMAS TIPICOS 23

7 NOMENCLATURA 28

8 PROGRAMAS DE COMPUTACION 31

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1 OBJETIVOEl objetivo de este capiacutetulo es proporcionar las herramientas de caacutelculo quepermitan determinar la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos cuando elflujo es en fase gaseosa

2 ALCANCEEn este capiacutetulo se presentan los meacutetodos de caacutelculo para determinar la caiacuteda depresioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos relacionados para flujo de gas y vapor Paraotras consideraciones generales diferentes de caiacuteda de presioacuten verldquoConsideraciones Baacutesicas de Disentildeordquo en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02

3 REFERENCIAS31 Manual de Disentildeo de Proceso

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02 ldquoPrincipios Baacutesicosrdquo (1996)

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 ldquoFlujo en Fase Liacutequidardquo (1996)

32 Praacutecticas de Disentildeo

Vol 1 Sec I ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo (1978)

33 Otras Referencias

1 PERRY R H and CHILTON C H Chemical Engineerrsquos Handbook 5th edMcGrawndashHill New York 1973

2 Crane Co Technical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids Through Valves Fittingsand Piperdquo (1988)

4 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISENtildeOLas consideraciones discutidas a continuacioacuten afectan las bases para losprocedimientos de caacutelculo dados posteriormente en este capiacutetulo Donde seindique se deben consultar las Consideraciones Baacutesicas de Disentildeo para Flujo deLiacutequido en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

41 Consideraciones Generales

En la mayoriacutea de los disentildeos de tuberiacuteas el requerimiento primordial consiste enencontrar un diaacutemetro interno que permita un cierto flujo a una caiacuteda de presioacutendada Esto generalmente involucra un procedimiento de tanteo Se selecciona undiaacutemetro y se calcula la caiacuteda de presioacuten para el flujo requerido Si la caiacuteda depresioacuten es demasiado grande se asume un diaacutemetro mayor para el proacuteximotanteo Si la caiacuteda de presioacuten es maacutes pequentildea que la necesaria se selecciona undiaacutemetro maacutes pequentildeo

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Ademaacutes de los meacutetodos de caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a un flujo dado en este

capiacutetulo se presentan meacutetodos para calcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten dadaEsto es necesario debido a que los caacutelculos de flujo de gas frecuentemente soncomplicados especialmente en flujo soacutenico

En la Tabla 1 del capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 se muestran caiacutedas de presioacutentiacutepicas usadas para el dimensionamiento de tuberiacuteas En caso de que losmateriales de construccioacuten sean muy costosos seriacutea deseable realizar un anaacutelisiseconoacutemico para encontrar el diaacutemetro oacuteptimo de la liacutenea (Ver Seccioacuten 1 de lasPraacutecticas de Disentildeo ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo)

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten

Las ecuaciones baacutesicas para calcular la caiacuteda de presioacuten para flujo de gases a

traveacutes de tuberiacuteas y accesorios se obtienen considerando el balance de energiacuteapara estado estacionario

F17

gc

g E) Dz ) F2

gc

g D(Pv ) )D(V2)

2g+ F17

gc

g Q ndash gc

g Ws (1a)

y la forma diferencial del Teorema de Bernoulli

dz ) F2

gc

g v dP ) VdVg +

gc

g dF ndash gc

g dWs (1b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

E = Energiacutea interna MJkg BTUlbm

F = Peacuterdida de energiacutea por friccioacuten kPa m3 kg pie lbflbm

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 pies2

P = Presioacuten kPa lbfpulg2

Q = Calor suministrado MJkg BTUlbm

V = Velocidad del fluido promedio a lo largode la seccioacuten transversal

ms pies

v = Volumen especiacutefico m3 kg pie3 lbm

Ws = Trabajo de eje kPa m3 kg pie lbfpie lbm

z = Altura m pie

gc = Constante dimensional1 x 1 03 kg

kPams2 32174

pielbm

lbfs2

F17 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1x103 778

F2 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1 144

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Los meacutetodos de disentildeo presentados en este capiacutetulo se basan en estas

ecuaciones

43 Tuberiacutea Recta

Para el flujo de gases en tuberiacuteas rectas el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten para undeterminado flujo maacutesico es complicado por la dependencia de la densidad del gascon la presioacuten Ademaacutes para caiacutedas de presioacuten significativas tanto la velocidadcomo la densidad cambiaraacuten significativamente Como resultado para usar elTeorema de Bernoulli en el desarrollo de funciones para predecir caiacutedas depresioacuten se necesita conocer la relacioacuten entre la presioacuten del gas y la densidad enla tuberiacutea Ademaacutes el comportamiento de la liacutenea dependeraacute del tipo de flujoexistente en dicha liacutenea el cual usualmente existe a condiciones entre adiabaacuteticae isoteacutermica

Para el caso usual en plantas quiacutemicas y refineriacuteas de liacuteneas cortas aisladas elcalor transferido hacia o desde la liacutenea es bajo asiacute que el flujo es esencialmenteadiabaacutetico La solucioacuten del balance de energiacutea y las ecuaciones de Bernoulli parael caso adiabaacutetico asumiendo un gas ideal genera las siguientes ecuaciones

4fLD

+ 12 kF18 kP1

G2 v 1

) (kndash1)

1ndash (v 1)

(v 2)2

) k ) 1

2kLn (v 1)

(v 2)2

(2a)

P2v2

P1v1

+T2

T1

+ 1 ) (kndash1) G2 v 1

F18 kP1

1ndash (v 1)

(v 2)2

(2b)

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Indice

1 OBJETIVO 2

2 ALCANCE 2

3 REFERENCIAS 2 31 Manual de Disentildeo de Proceso 2

32 Praacutecticas de Disentildeo 2

33 Otras Referencias 2

4 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISENtildeO 2 41 Consideraciones Generales 2

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten 3 43 Tuberiacutea Recta 4

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante) 6

45 Tuberiacutea No Horizontal 7

46 Cambios de Temperatura 7

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos 7

48 Orificios Boquillas y Venturis 7

49 Contracciones y Expansiones 8

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO 8 51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas 8

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea 22

6 PROBLEMAS TIPICOS 23

7 NOMENCLATURA 28

8 PROGRAMAS DE COMPUTACION 31

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1 OBJETIVOEl objetivo de este capiacutetulo es proporcionar las herramientas de caacutelculo quepermitan determinar la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos cuando elflujo es en fase gaseosa

2 ALCANCEEn este capiacutetulo se presentan los meacutetodos de caacutelculo para determinar la caiacuteda depresioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos relacionados para flujo de gas y vapor Paraotras consideraciones generales diferentes de caiacuteda de presioacuten verldquoConsideraciones Baacutesicas de Disentildeordquo en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02

3 REFERENCIAS31 Manual de Disentildeo de Proceso

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02 ldquoPrincipios Baacutesicosrdquo (1996)

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 ldquoFlujo en Fase Liacutequidardquo (1996)

32 Praacutecticas de Disentildeo

Vol 1 Sec I ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo (1978)

33 Otras Referencias

1 PERRY R H and CHILTON C H Chemical Engineerrsquos Handbook 5th edMcGrawndashHill New York 1973

2 Crane Co Technical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids Through Valves Fittingsand Piperdquo (1988)

4 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISENtildeOLas consideraciones discutidas a continuacioacuten afectan las bases para losprocedimientos de caacutelculo dados posteriormente en este capiacutetulo Donde seindique se deben consultar las Consideraciones Baacutesicas de Disentildeo para Flujo deLiacutequido en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

41 Consideraciones Generales

En la mayoriacutea de los disentildeos de tuberiacuteas el requerimiento primordial consiste enencontrar un diaacutemetro interno que permita un cierto flujo a una caiacuteda de presioacutendada Esto generalmente involucra un procedimiento de tanteo Se selecciona undiaacutemetro y se calcula la caiacuteda de presioacuten para el flujo requerido Si la caiacuteda depresioacuten es demasiado grande se asume un diaacutemetro mayor para el proacuteximotanteo Si la caiacuteda de presioacuten es maacutes pequentildea que la necesaria se selecciona undiaacutemetro maacutes pequentildeo

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Ademaacutes de los meacutetodos de caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a un flujo dado en este

capiacutetulo se presentan meacutetodos para calcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten dadaEsto es necesario debido a que los caacutelculos de flujo de gas frecuentemente soncomplicados especialmente en flujo soacutenico

En la Tabla 1 del capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 se muestran caiacutedas de presioacutentiacutepicas usadas para el dimensionamiento de tuberiacuteas En caso de que losmateriales de construccioacuten sean muy costosos seriacutea deseable realizar un anaacutelisiseconoacutemico para encontrar el diaacutemetro oacuteptimo de la liacutenea (Ver Seccioacuten 1 de lasPraacutecticas de Disentildeo ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo)

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten

Las ecuaciones baacutesicas para calcular la caiacuteda de presioacuten para flujo de gases a

traveacutes de tuberiacuteas y accesorios se obtienen considerando el balance de energiacuteapara estado estacionario

F17

gc

g E) Dz ) F2

gc

g D(Pv ) )D(V2)

2g+ F17

gc

g Q ndash gc

g Ws (1a)

y la forma diferencial del Teorema de Bernoulli

dz ) F2

gc

g v dP ) VdVg +

gc

g dF ndash gc

g dWs (1b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

E = Energiacutea interna MJkg BTUlbm

F = Peacuterdida de energiacutea por friccioacuten kPa m3 kg pie lbflbm

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 pies2

P = Presioacuten kPa lbfpulg2

Q = Calor suministrado MJkg BTUlbm

V = Velocidad del fluido promedio a lo largode la seccioacuten transversal

ms pies

v = Volumen especiacutefico m3 kg pie3 lbm

Ws = Trabajo de eje kPa m3 kg pie lbfpie lbm

z = Altura m pie

gc = Constante dimensional1 x 1 03 kg

kPams2 32174

pielbm

lbfs2

F17 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1x103 778

F2 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1 144

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Los meacutetodos de disentildeo presentados en este capiacutetulo se basan en estas

ecuaciones

43 Tuberiacutea Recta

Para el flujo de gases en tuberiacuteas rectas el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten para undeterminado flujo maacutesico es complicado por la dependencia de la densidad del gascon la presioacuten Ademaacutes para caiacutedas de presioacuten significativas tanto la velocidadcomo la densidad cambiaraacuten significativamente Como resultado para usar elTeorema de Bernoulli en el desarrollo de funciones para predecir caiacutedas depresioacuten se necesita conocer la relacioacuten entre la presioacuten del gas y la densidad enla tuberiacutea Ademaacutes el comportamiento de la liacutenea dependeraacute del tipo de flujoexistente en dicha liacutenea el cual usualmente existe a condiciones entre adiabaacuteticae isoteacutermica

Para el caso usual en plantas quiacutemicas y refineriacuteas de liacuteneas cortas aisladas elcalor transferido hacia o desde la liacutenea es bajo asiacute que el flujo es esencialmenteadiabaacutetico La solucioacuten del balance de energiacutea y las ecuaciones de Bernoulli parael caso adiabaacutetico asumiendo un gas ideal genera las siguientes ecuaciones

4fLD

+ 12 kF18 kP1

G2 v 1

) (kndash1)

1ndash (v 1)

(v 2)2

) k ) 1

2kLn (v 1)

(v 2)2

(2a)

P2v2

P1v1

+T2

T1

+ 1 ) (kndash1) G2 v 1

F18 kP1

1ndash (v 1)

(v 2)2

(2b)

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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1 OBJETIVOEl objetivo de este capiacutetulo es proporcionar las herramientas de caacutelculo quepermitan determinar la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos cuando elflujo es en fase gaseosa

2 ALCANCEEn este capiacutetulo se presentan los meacutetodos de caacutelculo para determinar la caiacuteda depresioacuten a traveacutes de tuberiacuteas y equipos relacionados para flujo de gas y vapor Paraotras consideraciones generales diferentes de caiacuteda de presioacuten verldquoConsideraciones Baacutesicas de Disentildeordquo en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02

3 REFERENCIAS31 Manual de Disentildeo de Proceso

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02 ldquoPrincipios Baacutesicosrdquo (1996)

PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 ldquoFlujo en Fase Liacutequidardquo (1996)

32 Praacutecticas de Disentildeo

Vol 1 Sec I ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo (1978)

33 Otras Referencias

1 PERRY R H and CHILTON C H Chemical Engineerrsquos Handbook 5th edMcGrawndashHill New York 1973

2 Crane Co Technical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids Through Valves Fittingsand Piperdquo (1988)

4 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISENtildeOLas consideraciones discutidas a continuacioacuten afectan las bases para losprocedimientos de caacutelculo dados posteriormente en este capiacutetulo Donde seindique se deben consultar las Consideraciones Baacutesicas de Disentildeo para Flujo deLiacutequido en el capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

41 Consideraciones Generales

En la mayoriacutea de los disentildeos de tuberiacuteas el requerimiento primordial consiste enencontrar un diaacutemetro interno que permita un cierto flujo a una caiacuteda de presioacutendada Esto generalmente involucra un procedimiento de tanteo Se selecciona undiaacutemetro y se calcula la caiacuteda de presioacuten para el flujo requerido Si la caiacuteda depresioacuten es demasiado grande se asume un diaacutemetro mayor para el proacuteximotanteo Si la caiacuteda de presioacuten es maacutes pequentildea que la necesaria se selecciona undiaacutemetro maacutes pequentildeo

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Ademaacutes de los meacutetodos de caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a un flujo dado en este

capiacutetulo se presentan meacutetodos para calcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten dadaEsto es necesario debido a que los caacutelculos de flujo de gas frecuentemente soncomplicados especialmente en flujo soacutenico

En la Tabla 1 del capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 se muestran caiacutedas de presioacutentiacutepicas usadas para el dimensionamiento de tuberiacuteas En caso de que losmateriales de construccioacuten sean muy costosos seriacutea deseable realizar un anaacutelisiseconoacutemico para encontrar el diaacutemetro oacuteptimo de la liacutenea (Ver Seccioacuten 1 de lasPraacutecticas de Disentildeo ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo)

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten

Las ecuaciones baacutesicas para calcular la caiacuteda de presioacuten para flujo de gases a

traveacutes de tuberiacuteas y accesorios se obtienen considerando el balance de energiacuteapara estado estacionario

F17

gc

g E) Dz ) F2

gc

g D(Pv ) )D(V2)

2g+ F17

gc

g Q ndash gc

g Ws (1a)

y la forma diferencial del Teorema de Bernoulli

dz ) F2

gc

g v dP ) VdVg +

gc

g dF ndash gc

g dWs (1b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

E = Energiacutea interna MJkg BTUlbm

F = Peacuterdida de energiacutea por friccioacuten kPa m3 kg pie lbflbm

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 pies2

P = Presioacuten kPa lbfpulg2

Q = Calor suministrado MJkg BTUlbm

V = Velocidad del fluido promedio a lo largode la seccioacuten transversal

ms pies

v = Volumen especiacutefico m3 kg pie3 lbm

Ws = Trabajo de eje kPa m3 kg pie lbfpie lbm

z = Altura m pie

gc = Constante dimensional1 x 1 03 kg

kPams2 32174

pielbm

lbfs2

F17 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1x103 778

F2 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1 144

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Los meacutetodos de disentildeo presentados en este capiacutetulo se basan en estas

ecuaciones

43 Tuberiacutea Recta

Para el flujo de gases en tuberiacuteas rectas el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten para undeterminado flujo maacutesico es complicado por la dependencia de la densidad del gascon la presioacuten Ademaacutes para caiacutedas de presioacuten significativas tanto la velocidadcomo la densidad cambiaraacuten significativamente Como resultado para usar elTeorema de Bernoulli en el desarrollo de funciones para predecir caiacutedas depresioacuten se necesita conocer la relacioacuten entre la presioacuten del gas y la densidad enla tuberiacutea Ademaacutes el comportamiento de la liacutenea dependeraacute del tipo de flujoexistente en dicha liacutenea el cual usualmente existe a condiciones entre adiabaacuteticae isoteacutermica

Para el caso usual en plantas quiacutemicas y refineriacuteas de liacuteneas cortas aisladas elcalor transferido hacia o desde la liacutenea es bajo asiacute que el flujo es esencialmenteadiabaacutetico La solucioacuten del balance de energiacutea y las ecuaciones de Bernoulli parael caso adiabaacutetico asumiendo un gas ideal genera las siguientes ecuaciones

4fLD

+ 12 kF18 kP1

G2 v 1

) (kndash1)

1ndash (v 1)

(v 2)2

) k ) 1

2kLn (v 1)

(v 2)2

(2a)

P2v2

P1v1

+T2

T1

+ 1 ) (kndash1) G2 v 1

F18 kP1

1ndash (v 1)

(v 2)2

(2b)

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Ademaacutes de los meacutetodos de caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a un flujo dado en este

capiacutetulo se presentan meacutetodos para calcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten dadaEsto es necesario debido a que los caacutelculos de flujo de gas frecuentemente soncomplicados especialmente en flujo soacutenico

En la Tabla 1 del capiacutetulo PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 se muestran caiacutedas de presioacutentiacutepicas usadas para el dimensionamiento de tuberiacuteas En caso de que losmateriales de construccioacuten sean muy costosos seriacutea deseable realizar un anaacutelisiseconoacutemico para encontrar el diaacutemetro oacuteptimo de la liacutenea (Ver Seccioacuten 1 de lasPraacutecticas de Disentildeo ldquoConsideraciones Econoacutemicas de Disentildeordquo)

42 Principios de caacutelculos de Caiacuteda de Presioacuten

Las ecuaciones baacutesicas para calcular la caiacuteda de presioacuten para flujo de gases a

traveacutes de tuberiacuteas y accesorios se obtienen considerando el balance de energiacuteapara estado estacionario

F17

gc

g E) Dz ) F2

gc

g D(Pv ) )D(V2)

2g+ F17

gc

g Q ndash gc

g Ws (1a)

y la forma diferencial del Teorema de Bernoulli

dz ) F2

gc

g v dP ) VdVg +

gc

g dF ndash gc

g dWs (1b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

E = Energiacutea interna MJkg BTUlbm

F = Peacuterdida de energiacutea por friccioacuten kPa m3 kg pie lbflbm

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 pies2

P = Presioacuten kPa lbfpulg2

Q = Calor suministrado MJkg BTUlbm

V = Velocidad del fluido promedio a lo largode la seccioacuten transversal

ms pies

v = Volumen especiacutefico m3 kg pie3 lbm

Ws = Trabajo de eje kPa m3 kg pie lbfpie lbm

z = Altura m pie

gc = Constante dimensional1 x 1 03 kg

kPams2 32174

pielbm

lbfs2

F17 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1x103 778

F2 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1 144

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Los meacutetodos de disentildeo presentados en este capiacutetulo se basan en estas

ecuaciones

43 Tuberiacutea Recta

Para el flujo de gases en tuberiacuteas rectas el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten para undeterminado flujo maacutesico es complicado por la dependencia de la densidad del gascon la presioacuten Ademaacutes para caiacutedas de presioacuten significativas tanto la velocidadcomo la densidad cambiaraacuten significativamente Como resultado para usar elTeorema de Bernoulli en el desarrollo de funciones para predecir caiacutedas depresioacuten se necesita conocer la relacioacuten entre la presioacuten del gas y la densidad enla tuberiacutea Ademaacutes el comportamiento de la liacutenea dependeraacute del tipo de flujoexistente en dicha liacutenea el cual usualmente existe a condiciones entre adiabaacuteticae isoteacutermica

Para el caso usual en plantas quiacutemicas y refineriacuteas de liacuteneas cortas aisladas elcalor transferido hacia o desde la liacutenea es bajo asiacute que el flujo es esencialmenteadiabaacutetico La solucioacuten del balance de energiacutea y las ecuaciones de Bernoulli parael caso adiabaacutetico asumiendo un gas ideal genera las siguientes ecuaciones

4fLD

+ 12 kF18 kP1

G2 v 1

) (kndash1)

1ndash (v 1)

(v 2)2

) k ) 1

2kLn (v 1)

(v 2)2

(2a)

P2v2

P1v1

+T2

T1

+ 1 ) (kndash1) G2 v 1

F18 kP1

1ndash (v 1)

(v 2)2

(2b)

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Los meacutetodos de disentildeo presentados en este capiacutetulo se basan en estas

ecuaciones

43 Tuberiacutea Recta

Para el flujo de gases en tuberiacuteas rectas el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten para undeterminado flujo maacutesico es complicado por la dependencia de la densidad del gascon la presioacuten Ademaacutes para caiacutedas de presioacuten significativas tanto la velocidadcomo la densidad cambiaraacuten significativamente Como resultado para usar elTeorema de Bernoulli en el desarrollo de funciones para predecir caiacutedas depresioacuten se necesita conocer la relacioacuten entre la presioacuten del gas y la densidad enla tuberiacutea Ademaacutes el comportamiento de la liacutenea dependeraacute del tipo de flujoexistente en dicha liacutenea el cual usualmente existe a condiciones entre adiabaacuteticae isoteacutermica

Para el caso usual en plantas quiacutemicas y refineriacuteas de liacuteneas cortas aisladas elcalor transferido hacia o desde la liacutenea es bajo asiacute que el flujo es esencialmenteadiabaacutetico La solucioacuten del balance de energiacutea y las ecuaciones de Bernoulli parael caso adiabaacutetico asumiendo un gas ideal genera las siguientes ecuaciones

4fLD

+ 12 kF18 kP1

G2 v 1

) (kndash1)

1ndash (v 1)

(v 2)2

) k ) 1

2kLn (v 1)

(v 2)2

(2a)

P2v2

P1v1

+T2

T1

+ 1 ) (kndash1) G2 v 1

F18 kP1

1ndash (v 1)

(v 2)2

(2b)

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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donde

En unidadesmeacutetricas En unidadesinglesasD = Diaacutemetro de la tuberiacutea m pie

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 lbmspie2

k = Relacioacuten de calores especiacuteficos Cp Cv

L = Longitud de la liacutenea m pie

T = Temperatura _K _F

12 = Condiciones o localizaciones corrientearriba o corriente abajo respectivamente

F18 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

2 x 10 ndash9 9266 x 103

Los otros teacuterminos se definieron para las ecuaciones 1a y 1b

Debido a que la solucioacuten de las ecuaciones anteriormente indicadas para caiacutedade presioacuten no es sencilla la suposicioacuten de flujo adiabaacutetico para tuberiacuteas derefineriacutea se ha usado muy poco en el pasado a pesar de ser maacutes exacta Sinembargo en los procedimientos de caacutelculos que siguen se da un meacutetodo graacuteficode resolucioacuten de las ecuaciones 2a y 2b donde la presioacuten corriente arriba o la decorriente abajo son conocidas

Estos graacuteficos dados en las Figuras 3 y 4 tambieacuten se pueden usar para gases noideales siempre que el factor de compresibilidad Z no variacutee a lo largo de la tuberiacuteaSi es asiacute divida la liacutenea en secciones cada una con su Z promedio y calcule la caiacutedade presioacuten para cada seccioacuten

Para liacuteneas largas sin aislar tales como liacuteneas de transmisioacuten de gas natural elflujo se aproximaraacute a condiciones isoteacutermicas La solucioacuten de las ecuacionesbaacutesicas asumiendo un gas ideal y flujo isoteacutermico da como resultado de laecuacioacuten 3

F19

P2

1

ndash P2

2P1 v 1+ 4 f L G

2

D 1 ) D2 f L Ln P

1P2 (3)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F19 = Factor cuyo valor depende delas unidades utilizadas

10 ndash9 4633 x 103

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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(Todos los otros teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta ecuacioacuten se resuelve faacutecilmente para determinar el flujo si se conocen laspresiones corriente arriba y corriente abajo pero requiere una solucioacuten por tanteosi solamente se conoce una presioacuten y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten Losgraacuteficos dados en la Figura 3A o en la 4A donde K = 1 se pueden usar parasoluciones graacuteficas del caso isoteacutermico El procedimiento de caacutelculo seraacute igual quepara el flujo adiabaacutetico

La ecuacioacuten 3 frecuentemente es simplificada usando ciertas suposiciones Conrespecto a la caiacuteda de presioacuten para tuberiacuteas largas el uacuteltimo teacutermino se aproximaa la unidad (excepto para el caso no frecuente de alta caiacuteda de presioacuten) y laecuacioacuten 3 se simplifica en la ecuacioacuten 3a

F19

P21 ndash P2

2

P1 v1

+ 4 f L G2

D(3a)

(Todos los teacuterminos fueron previamente definidos)

Esta forma es la base para la foacutermula de Weymouth o la ecuacioacuten de Panhandlepara liacuteneas de transmisioacuten de gases

Para estimaciones raacutepidas en donde la caiacuteda de presioacuten es menor del 10 de lapresioacuten corriente arriba la ecuacioacuten 3a se puede simplificar en la ecuacioacuten 3b

P1 ndashP2 + 2 fv

L G2

F19 D (3b)

donde v es el volumen especiacutefico promedio del gas y todos los otros teacuterminosfueron previamente definidos Esta ecuacioacuten sirve como la base para unaecuacioacuten de disentildeo simplificada presentada maacutes adelante para el disentildeo raacutepidode tuberiacuteas de gas

44 Flujo Criacutetico (soacutenico o flujo limitante)

Para una presioacuten corriente arriba fijada el flujo maacutesico de gas aumentaraacute a medidaque la presioacuten corriente abajo se reduce de acuerdo con las ecuaciones

anteriores hasta que la presioacuten corriente abajo haya alcanzado un punto dondela caiacuteda de presioacuten es igual al valor conocido como caiacuteda de presioacuten criacutetica Estacondicioacuten corresponde a la velocidad maacutexima posible por ejemplo la velocidadsoacutenica Este liacutemite de velocidad frecuentemente se encuentra en una restriccioacuteno a la salida de una tuberiacutea entrando a un aacuterea de seccioacuten transversal grande Unareduccioacuten posterior de la presioacuten corriente abajo de la restriccioacuten o en el aacutereaexpandida no afectaraacute la cantidad de flujo y la presioacuten en esta restriccioacuten o a lasalida de este punto permaneceraacute igual al valor determinado por la caiacuteda depresioacuten criacutetica

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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La caiacuteda de presioacuten criacutetica se indica en la Figura 3 en la interseccioacuten de las curvas

marcadas para coeficientes de resistencia de tuberiacutea constante total (N) El usoadecuado de la Figura 3 tambieacuten permitiraacute el caacutelculo de la velocidad maacutesica parael flujo criacutetico Para una tuberiacutea que contiene una vaacutelvula boquilla o una restriccioacutensimilar donde ocurre flujo soacutenico el flujo se puede calcular usando la ecuacioacuten 11bque define la velocidad soacutenica como una funcioacuten de las propiedades del gas

45 Tuberiacutea No Horizontal

Generalmente el efecto de la gravedad en el flujo de gas es despreciable Sinembargo no debiera ser despreciable cuando el flujo es muy pequentildeo y ladensidad del gas es muy grande En el disentildeo de chimeneas se debe tomar encuenta la gravedad

46 Cambios de Temperatura

Como resultado de la expansioacuten adiabaacutetica la temperatura del gas fluyendo atraveacutes de la tuberiacutea decreceraacute gradualmente Este cambio de temperatura seraacutesubstancial a altas cantidades de flujo como se puede ver en las Figuras 3B 3C4B y 4C donde se presentan curvas de relacioacuten constante de temperaturacorriente abajo y corriente arriba

47 Efecto de Vaacutelvulas y Codos

Se presentan en esta seccioacuten los procedimientos para el caacutelculo de caiacutedas de

presioacuten en vaacutelvulas y codos como simples componentes y como parte del sistemade tuberiacutea En el uacuteltimo caso sus coeficientes de resistencia K son sumados alcoeficiente de resistencia N usado en las Figuras 4 y 5 En todos los casos sedeberiacutea chequear para ver si la vaacutelvula limita el flujo debido a la velocidad soacutenicaVer ecuacioacuten 11b

48 Orificios Boquillas y Venturis (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

La caiacuteda de presioacuten de gas a traveacutes de orificios boquillas y venturis consiste decomponentes de friccioacuten y de aceleracioacuten El cambio de presioacuten por aceleracioacutenes considerado por un coeficiente de expansioacuten Y (Figura 5) el cual es una

funcioacuten deS Relacioacuten de calores especiacuteficos K = Cp Cv

S Caiacuteda de presioacuten relativa DPP1

S Relacioacuten de diaacutemetros do d1

Debido a la presencia de Y en la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten los caacutelculos paraorificios boquillas y venturis son complicados Por lo tanto se presentanprocedimientos de caacutelculo para un cierto nuacutemero de casos comunes de disentildeoVer ecuacioacuten 12a

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Para boquillas y venturis la velocidad soacutenica en la abertura maacutes angosta resultaraacute

en efectos similares a los de una tuberiacutea con extremo abierto A una presioacutencorriente arriba constante la reduccioacuten de la presioacuten corriente abajo (bajocondiciones soacutenicas) no causaraacute un incremento en el flujo La cantidad de flujopuede solamente incrementarse al aumentar la presioacuten corriente arriba y para gasideal este seraacute directamente proporcional a la presioacuten corriente arriba La relacioacutende la presioacuten corriente arriba a la de la garganta a condiciones soacutenicas esconstante para determinada relacioacuten de calor especiacutefico K y relacioacuten de diaacutemetrodo d1 y se llama relacioacuten de presioacuten criacutetica

Para orificios agudos la velocidad soacutenica no tiene el mismo efecto que paraboquillas y venturis Como resultado con boquillas y venturis no ocurre un puntode corte (Ver Fig 5) Tambieacuten en caso de flujo soacutenico el factor de recuperacioacuten

de presioacuten r es omitido

49 Contracciones y Expansiones (Ver PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 )

Cuando la caiacuteda de presioacuten total (es decir la suma de la caiacuteda de presioacuten porfriccioacuten y el cambio de energiacutea cineacutetica) es mayor de 10 de la presioacuten total ocuando se necesita un estimado preciso el teacutermino de energiacutea cineacutetica debeincluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5 Entonces se necesita unprocedimiento de tanteo

La caiacuteda de presioacuten neta para expansiones bruscas en un aacuterea de seccioacutentransversal grande tal como para el final de una tuberiacutea entrando a un recipiente

de proceso es cero

Distribuidores de Tubo Perforado(Ver PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03) ndash Para caacutelculodel aacuterea total de orificios se debe incluir el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULOLos siguientes meacutetodos de disentildeo ecuaciones y guiacuteas deben ser usados junto conel material dado en ldquoConsideraciones de Disentildeo Baacutesicordquo La primera seccioacutenpresenta procedimientos para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en componentessimples de tuberiacutea La segunda seccioacuten se debe usar para caacutelculo de caiacuteda depresioacuten en sistemas de flujo que contienen maacutes de un componente

51 Caiacuteda de Presioacuten a traveacutes de Componentes Simples de Tuberiacuteas

Para el caacutelculo de caiacuteda de presioacuten a traveacutes de componentes simples de tuberiacuteause el siguiente procedimiento

Tuberiacutea Recta Horizontal ndash Use el procedimiento siguiente para tuberiacutea recta queno contenga ninguacuten accesorio

1 Meacutetodo Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada (P1 ndashP2) es menordel 10 de la presioacuten de entrada P1 un resultado razonable se obtendraacute

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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usando la forma simplificada de la ecuacioacuten de Fanning para caiacuteda de

presioacuten por friccioacuten (ec 4) o usando la Figura 1

(DP) + F20 C2 W2v +

F20 C2W2

ρ(4)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

(DP) = Caiacuteda de presioacuten por unidad de longitudde tuberiacutea

kPam Psi100 pie

C2 = Funcioacuten de f y d (C2 a fd 5)

C2 es dado como una funcioacuten deldiaacutemetro de tuberiacutea en la Tabla 2

v = Volumen especiacutefico del gas fluyendo m3 kg pie3 lbm

W = Caudal de flujo maacutesico kgs lbmh

ρ = Densidad del gas fluyendo kgm3 lbmpie3

F20 = Factor que depende de las unidadesutilizadas

023 10 ndash9

El volumen especiacutefico del gas para este caso puede ser evaluado o a lascondiciones corriente arriba o a las de corriente abajo cualquiera de los que seanconocidos Para vapor los valores de v se pueden obtener de la Figura 2

El procedimiento es el siguiente

a Para determinado flujo y diaacutemetro de tuberiacutea obtenga C2 de la Tabla2 para el diaacutemetro especificado Calcule (DP) de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

b Para una caiacuteda de presioacuten y diaacutemetro de tuberiacutea dados obtenga C2 dela Tabla 2 para el diaacutemetro dado Calcule W de la ecuacioacuten 4 porsustitucioacuten

2 Meacutetodo Modificado y Simplificado ndash Si la caiacuteda de presioacuten calculada(P1 ndashP2) es mayor de 10 pero menor que el 40 de la presioacuten de entradaP1 se pueden usar auacuten la ecuacioacuten 4 o la figura 1 con una precisioacutenrazonable si el volumen especiacutefico es basado en el promedio de lascondiciones corriente arriba y abajo Debe hacerse un tanteo hasta que el v usado en el tanteo sea igual al promedio de v 1 y v 2

Una caiacuteda de presioacuten maacutes precisa se puede obtener usando el meacutetodoindicado a continuacioacuten pero usualmente no es necesario en este rango

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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3 Meacutetodo Detallado

Se presentan 3 casos

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente arriba use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

Note que para todos los caacutelculos de esta parte la presioacuten estaacute en kPa absoluta

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente deq

deq + 4 x aacuterea transversalperiacutemetro del ducto

(5)en unidadesconsistentes

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re

Re + DVρm + F3 d V ρ

m (6a)

+ F21 q Sg

d m (6b)

+ F5 Wd m (6c)

dondeEn unidades

meacutetricasEn unidades

inglesasD = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetro

hidraacuteulico equivalentem pie

d = Diaacutemetro interno de tuberiacutea o diaacutemetrohidraacuteulico equivalente

mm pulg

qrsquo = Flujo volumeacutetrico (mol) estaacutendar dm3 s(15_Camp1013 kPa)

pie3 h(60_Famp147 psia)

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Paacutegina 30

PDVSA

Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Re = Nuacutemero de Reynolds adim adim

F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

10 ndash3 124

F5 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

127 x 103 6310

F21 = Factor cuyo valor depende de lasunidades utilizadas

156 0482

Sg = Gravedad especiacutefica de gas relativa alaire (relacioacuten de peso molecular del gas aldel aire)

V = Velocidad lineal del gas promediada en elaacuterea transversal

ms pies

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

m = Viscosidad dinaacutemica Pas cP

ρ = Densidad de gas kgm3 lbmpie3

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia friccional de la tuberiacutea adimensional

N + F14 f Ld (7)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d = Diaacutemetro mm pulg

f = Factor de friccioacuten de Fanning adim adim

L = Longitud de la tuberiacutea m pie

N = Coeficiente de resistencia friccional de latuberiacutea

adim adim

F14 = Factor de cuyo valor depende de lasunidades usadas

4x103 48

Si N gt 400 divida la liacutenea en fracciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente arriba

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P1 ρ1 donde P1 es lapresioacuten corriente arriba en kPa abs (psia) y ρ1 es la densidad corrientearriba Gh estaacute dada en kgmm2s (miles de lbmhpulg2)

6 Encuentre en la Tabla 1 la relacioacuten de calor especiacutefico del gas Esto es paraflujo adiabaacutetico que es la situacioacuten normal en tuberiacuteas de una Refineriacutea o

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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una planta quiacutemica Para flujo isoteacutermico (como en liacuteneas de transmisioacuten

de gas) use k = 17 Encuentre DPP1 de la Figura 3A 3B o 3C Para valores de K y N que caen

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde lascurvas son casi rectas e interpolacioacuten graacutefica donde ellas tienden a subir(Recuerde que las presiones de estas cartas son en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae debajo del rango cubierto en las cartas

el gas puede ser tratado como un fluido incompresible En este caso useel procedimiento para flujo de liacutequido PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 cae en la porcioacuten vertical de la curva N en la

Figura 3A 3B o 3C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

La caiacuteda de presioacuten entonces consiste de dos partes Caiacuteda de presioacuten atraveacutes de la tuberiacutea dada por el punto donde la curva N en la Figura 3A 3Bo 3C cruza la curva a trazos que marca el liacutemite de la regioacuten de flujo soacutenicoy la caiacuteda de presioacuten a traveacutes de la onda de choque a la salida de la tuberiacuteaEsta uacuteltima es determinada por la presioacuten en los equipos corriente abajo

Cuando el valor calculado de Gh2 P1 ρ1 cae maacutes allaacute de la porcioacuten vertical

de la curva N en la Figura 3A 3B o 3C se representa una situacioacutenfiacutesicamente imposible Para obtener el flujo deseado o aumente P1 oaumente el diaacutemetro de la tuberiacutea

8 Finalmente calcule DP con P1 y el valor obtenido de DPP1

d Si se conoce el flujo y la presioacuten corriente abajo use el siguienteprocedimiento para encontrar la caiacuteda de presioacuten

1 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

2 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6 usando el valor de ρy m a la temperatura corriente arriba y a la presioacuten conocida

3 Encuentre el factor de friccioacuten f por la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

4 Calcule el coeficiente de resistencia de tuberiacutea N de la ecuacioacuten 7Si N gt 400 divida la liacutenea en secciones cortas y calcule la caiacuteda de presioacutende las secciones individuales comenzando corriente abajo

5 Calcule la velocidad maacutesica Gh y el teacutermino Gh2 P2 ρ2 donde P2 es la

presioacuten corriente abajo en kPa absolutos (psia) y ρ2 es la densidad corrienteabajo calculada a la temperatura corriente arriba

6 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico del gas en laTabla 1 Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K = 1

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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7 EncuentreDPP1 de la Figura 4A 4B y 4C Para valores de K y N que caigan

entre los valores dados en las cartas use interpolacioacuten lineal donde la curvasea recta e interpolacioacuten graacutefica donde eacutesta descienda (Recuerde que lapresioacuten en estas cartas estaacuten en kPa absolutos) (psia)

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga debajo del rango cubierto por las cartas

trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimiento para flujode liacutequido dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Cuando el valor Gh2 P2 ρ2 caiga en el lado derecho de las cartas en la

Figura 4A 4B y 4C la velocidad del gas al final de la tuberiacutea seraacute soacutenica

Cuando el valor de Gh2 P2 ρ2 caiga al lado derecho de cualquiera de las tres

cartas la velocidad del gas al final de la tuberiacutea es soacutenica y existiraacute unacaiacuteda de presioacuten alta a la salida de la tuberiacutea Para calcular la caiacuteda de

presioacuten en este caso use el siguiente procedimiento

a Encuentre el valor de Gh2 P1 ρ1 en la porcioacuten vertical de la curva en

la Figura 3A 3B o 3C correspondiente a los valores de K y Ncalculados arriba

b Calcule P1 ρ1 de este valor de Gh2 P1 ρ1 y el valor dado de Gh

c Encuentre P1 ρ1 de la siguiente ecuacioacuten la cual es derivada de laecuacioacuten de estado (PV = Z n R T)

P1ρ1

+ R

ZT1

M (8)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

M = Peso molecular kgmol lbmlbmol

P1 = Presioacuten corriente arriba kPa abs psia

T1 = Temperatura corriente arriba K _R

Z = Factor de compresibilidad adim adim

R = Constante de los gases 8314 KJkmolK 1073 psiapie3

lbmol oR

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbpi3

d Calcule P1 a partir de la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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e Calcule DP = P1 ndash P2

8 En todos los casos excepto donde Gh2 P2 ρ2 cae del lado derecho de lasFiguras 4A 4B y 4C calcule P de la siguiente ecuacioacuten (todos los teacuterminosfueron previamente definidos)

DP + P2 DPP1

1 ndash DPP1

(10)

e Si la caiacuteda de presioacuten es dada y se quiere conocer el flujo use el siguienteprocedimiento

1 Cuando DPP1

lt 010 trate el gas como un fluido incompresible y use laforma simplificada de la ecuacioacuten de caiacuteda de presioacuten por friccioacuten deFanning dada anteriormente en el paso 1b

Cuando DPP1 010 proceda como se describe a continuacioacuten

2 Para ductos no circulares calcule el diaacutemetro hidraacuteulico equivalente de laecuacioacuten 5

3 Para el primer tanteo tome el factor de friccioacuten f igual a 0005

4 Calcule el coeficiente de resistencia N de la ecuacioacuten 7 Si N gt 400 dividala liacutenea en secciones cortas con caiacutedas de presioacuten estimadas para cadatramo y calcule el flujo en cada seccioacuten siguiendo las instrucciones dadas

posteriormente Verifique si los flujos en las distintas secciones son igualesSi no modifique los estimados de caiacuteda de presioacuten e intente de nuevo

5 Encuentre K la relacioacuten de capacidades de calor especiacutefico en la Tabla 1Si no se conoce K use K = 1 Si el flujo es isoteacutermico use K =1

6 CalculeDPP1 y encuentre Gh2 P1 ρ1 en la Figura 3A 3B o 3C Para valores

de K y N ubicados entre los valores dados en las cartas use interpolacioacutenlineal cuando las curvas sean casi rectas e interpolacioacuten graacuteficas cuandose desviacuteen hacia arriba

Cuando el valor de Gh2 P1 ρ1 caiga por debajo del rango cubierto por las

cartas trate el gas como un fluido incompresible y use el procedimientopara flujo de liacutequido dado en PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03

7 Calcule Gh a partir de los valores conocidos de P1 y ρ1 y obtenga el valorde Gh

2 P1 ρ1

8 Calcule el flujo maacutesico W a partir de Gh y el aacuterea de seccioacuten transversal

9 Calcule el nuacutemero de Reynolds Re de ecuacioacuten 6 determine y calcule elfactor de friccioacuten por la ecuacioacuten 4 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para versi el valor asumido de 0005 de factor de friccioacuten es correcto Si la diferenciaes maacutes del 10 repita los pasos del (4) al (9)

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Tuberiacutea Recta Inclinada o Vertical ndash Cuando la caiacuteda de presioacuten por friccioacuten y

aceleracioacuten calculada como se indicoacute anteriormente es baja (Ej en chimeneas)se debe incluir una caiacuteda de presioacuten debido al cambio en elevacioacuten Calcule lacaiacuteda de presioacuten con la ecuacioacuten 6 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03Cuando se deseecalcular el flujo a una caiacuteda de presioacuten conocida primero reste el teacutermino dado decaiacuteda de presioacuten por elevacioacuten del teacutermino dado de caiacuteda de presioacuten Entoncesencuentre el flujo usando el procedimiento 3c descrito arriba

Codos ndash Use el siguiente procedimiento

1 Encuentre el coeficiente de resistencia K de la Figura 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) de la ecuacioacuten 7 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Si la caiacuteda de presioacuten (DP) es mayor que el 10 de la presioacuten absoluta o sise necesita un estimado preciso proceda como si el codo fuese una piezarecta de tuberiacutea horizontal con un coeficiente de resistencia de tuberiacutea Nigual a K Para este propoacutesito use el procedimiento dado arriba para tuberiacuteashorizontales En los procedimientos 3b y 3c se pueden omitir los primeros 4pasos

Conexiones Tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo ndash Para conexiones tipo ldquoTrdquo cerradas use el mismoprocedimiento usado para codos Para conexiones tipo ldquoTrdquo en las cuales lascorrientes estaacuten divididas o se unan use la ecuacioacuten 8andashf dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para conexiones en Y y distribuidores ver laReferencia 7 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Vaacutelvulas ndash Use el mismo procedimiento usado para codos Si el aacuterea transversalde la viacutea de flujo de la vaacutelvula es substancialmente maacutes pequentildea (lt 80) que lade la liacutenea calcule la velocidad maacutesica Gh en la vaacutelvula y compare eacuteste con lavelocidad maacutesica soacutenica Ghs calculada con la siguiente ecuacioacuten

Ghs + F22 k P2 ρ2 F23 (11a)

Vs + F24

k T2

M + F25

K P2ρ

2

(11b)

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ghs = Velocidad maacutesica soacutenica kgs mm2 lbmhpulg2

k = Cp Cv = Relacioacuten de capacidades de calorespeciacutefico (Ver Tabla 1)

adim adim

M = Peso molecular kgkgmol lblbmol

P2 = presioacuten local (salida) kPa abs psia

T2 = Temperatura _K _R

Vs = Velocidad soacutenica ms pies

ρ2 = Densidad local (salida) kgm3

lbmpie3

F22 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 170x103

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

10 ndash3 1

F24 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

913 2230

F25 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

31623 681

Si Gh tiende a ser mayor que Ghs use el procedimiento para boquillas presentado

abajo Suponga un diaacutemetro de boquilla do con la misma aacuterea transversal que lade la vaacutelvula y encuentre el coeficiente de flujo del graacutefico para orificios en laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Orificios ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten (o el flujo) usando el procedimiento para flujo deliacutequido en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Si la caiacuteda de presioacuten tiende a ser mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado maacutes exacto proceda de lasiguiente manera

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda depresioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

a Si la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1 el flujomaacutesico W el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea corrientearriba d1 son conocidos y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP useel siguiente procedimiento

1 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba con laecuacioacuten 6c Calcule do d1 y encuentre el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

2 Calcule la caiacuteda de presioacuten de la siguiente ecuacioacuten usando Y = 1

DP+

F13

W2

ρ1 C2 Y2 d4o

(12a)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

C = Coeficiente de flujo adimensional(Figura 7A oacute 7B dePDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

do = Diaacutemetro de orificio mm pulg

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa psiW = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (Figura 5) adim adim

ρ1 = Densidad corriente arriba kgm3 lbmpie3

F13 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

810x108 028x10 ndash6

3 CalculeDPP1 encuentre la relacioacuten de capacidad caloacuterica especiacutefica K =Cp Cv de la Tabla 1 y encuentre el factor de expansioacuten Y de la Figura 5

4 Calcule el nuevo valor de Dp de la ecuacioacuten 12a recalcule DPP1 obtengaun nuevo valor para Y y calcule el nuevo

DP Repita si es necesario hasta

que obtenga la convergencia en el valor de DP

5 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r para el orificio de la Figura10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y multiplique el DP por r para obtener lacaiacuteda de presioacuten global del orificio

b Si se conoce la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar la caiacuteda de presioacuten use elsiguiente procedimiento

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Paacutegina 30

PDVSA

Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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1 Para el primer tanteo calcule un valor preliminar para la densidad corriente

arriba ρ1 basado en T1 y P22 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c Calcule do d1 y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Calcule el DP de la ecuacioacuten 12a usando Y = 1

4 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 y calcule la presioacuten corriente arriba P1 mediantela siguiente ecuacioacuten

P1 + P2 ) r DP (13)

5 Encuentre un nuevo valor para ρ1 usando P1 y T1

6 Calcule DPP1 encuentre la relacioacuten de las capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

7 Calcule el nuevo valor deDP a partir de la ecuacioacuten 12a Si esto difiere maacutesdel 10 del calculado arriba repita los uacuteltimos 4 pasos de caacutelculo hasta queconverja el valor DP obtenido

8 Calcule la caiacuteda de presioacuten global r DP

c Si se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de orificio do y el diaacutemetro de latuberiacutea corriente arriba d1 y si desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesdel orificio use el siguiente procedimiento

1 Calcule DP = (P1 ndash P2) r

2 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv a partir de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacutenY de la Figura 5

3 Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando C = 060

4 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de la

ecuacioacuten 6c y obtenga el nuevo valor para el coeficiente de flujo C de laFigura 7A oacute 7B de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

5 Recalcule W mediante la ecuacioacuten 12a usando el nuevo valor para C yrepita el procedimiento anterior si es necesario hasta que converja el valorobtenido de W

d Si se conoce la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de tuberiacuteacorriente arriba d1 y se desea determinar el diaacutemetro del orificio do use elsiguiente procedimiento

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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1 Suponga do d1 = 06

2 Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re en la tuberiacutea corriente arriba de laecuacioacuten 6c y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

3 Obtenga el factor de recuperacioacuten de presioacuten r de la Figura 10 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 calcule DP = (P1 ndash P2) r

4 Calcule DPP1 y do d1 encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericasespeciacuteficas K = Cp Cv de la Tabla 1 obtenga el factor de expansioacuten Y dela Figura 5

5 Calcule do de la ecuacioacuten 12a

6 Calcule un nuevo valor para do d1 y repita los pasos si es necesario hastaque converja con el resultado obtenido de do d1

Boquillas ndash Use el procedimiento para orificios con el coeficiente de flujo de laFigura 8 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Si durante el procedimiento de caacutelculo DPP1

tiende a ser maacutes grande que el indicado por el punto final de las curvas de lasboquillas y venturis en la Figura 5 entonces se presentan las condiciones soacutenicaspor lo tanto use el siguiente procedimiento

a Conocido el flujo y la presioacuten corriente arriba calcular la caiacuteda depresioacuten

b Conocido el flujo y la presioacuten corriente abajo calcular la caiacuteda de

presioacuten

c Conocida la caiacuteda de presioacuten calcular el flujo

A continuacioacuten se presentan los procedimientos de caacutelculo

1 Se conocen la presioacuten corriente arriba P1 la densidad corriente arriba ρ1el flujo maacutesico W el diaacutemetro de la boquilla do y la tuberiacutea corriente arribad1 se desea determinar la caiacuteda de presioacuten El flujo maacutesico W esta limitadodebido al flujo soacutenico en la boquilla El valor requerido de W soacutelo pudieraalcanzarse si do o P1 se incrementara Si do y P1 son mantenidos iguales elflujo W y la caiacuteda de presioacuten miacutenima DP requeridos para este flujo se calculan

de la siguiente maneraa Obtenga DPP1 y el Y correspondiente al punto final de la curva

aplicable de la Figura 5

b CalculeDP a partir de DPP1 y el P1 dado y use este valor para calcularW de la ecuacioacuten 12a Este flujo maacutesico W se obtendraacute para cualquiercaiacuteda de presioacuten DP calculado

2 Se conocen la temperatura corriente arriba T1 la presioacuten corriente abajoP2 el flujo maacutesico W el diaacutemetro del orificio do y el diaacutemetro de la tuberiacutea

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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corriente arriba d1 Se desea determinar la caiacuteda de presioacuten DP El flujo en

la boquilla seraacute soacutenico Calcule la presioacuten corriente arriba requerida P1 y elDP de la siguiente forma

a Divida la ecuacioacuten 12a por P1 e inserte el valor de DPP1 en la ecuacioacutene Y del punto final de la curva aplicable en la Figura 5 Entonces calculeP1 ρ1

b Encuentre P1 ρ1 mediante la ecuacioacuten de estado

P1ρ

1+ R ZT1

M (8)

c Calcule P1 mediante la siguiente ecuacioacuten

P1 + P1ρ

1 (P1 ρ1) (9)

d Calcule DP = P1 ndash P2

3 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P1

la presioacuten corriente abajo P2 el diaacutemetro de la boquilla do y el diaacutemetro dela tuberiacutea corriente arriba Se desea determinar el flujo maacutesico W a traveacutesde la boquilla El flujo en la boquilla seraacute soacutenico Calcule el flujo maacutesico Wde la siguiente manera

a Encuentre DPP1 e Y del punto final de la curva que aplica en la Figura5

b Calcule DP de DPP1 y P1

c Calcule W de la ecuacioacuten 12a usando P e Y

4 Se conocen la densidad corriente arriba ρ1 la presioacuten corriente arriba P

1

la presioacuten corriente abajo P2 el flujo maacutesico W y el diaacutemetro de la tuberiacuteacorriente arriba d1 Se desea determinar el diaacutemetro de la boquilla do El flujoen la boquilla seraacute soacutenico Calcule el diaacutemetro de la boquilla requerido docomo se explica a continuacioacuten

a Suponga do d1 = 02

b Calcule el Nuacutemero de Reynolds Re de la ecuacioacuten 6c en la tuberiacuteacorriente arriba y obtenga el coeficiente de flujo C de la Figura 8 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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c Calcule do de la ecuacioacuten 12a usando DPP1 e Y correspondiente al

punto final de la curva para do d1 = 02 en la Figura 5d Calcule do d1 y compare eacuteste con el valor asumido Repita el

procedimiento anterior con un nuevo valor de do d1 si es necesariohasta que converja el valor obtenido de do d1

Venturis ndash Para caacutelculo de venturis use el mismo procedimiento que paraboquillas con excepcioacuten del caacutelculo del coeficiente de flujo C el cual se obtienemediante la ecuacioacuten 10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Contracciones y Expansiones ndash Use el siguiente procedimiento

1 Calcule la caiacuteda de presioacuten como si fuese flujo liacutequido siguiendo elprocedimiento dado en PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para la densidad ρ useel valor corriente arriba o corriente abajo cualquiera de los dos que estedisponible

2 Si la caiacuteda de presioacuten calculada es mayor que el 10 de la presioacuten absolutacorriente arriba o si se necesita un estimado preciso proceda como sigue

3 Encuentre la relacioacuten de capacidades caloacutericas especiacuteficas K = Cp Cv de laTabla 1

4 Calcule (DP)t P1 y encuentre Y a partir de la Figura 5 usando (DP)t P1 paraDPP1 y la relacioacuten entre el diaacutemetro de tuberiacutea maacutes pequentildeo y el maacutes grandepara do d1

5 Calcule (DP)k de la siguiente ecuacioacuten

(DP)k + F13W2

Y2

1ρ2 d4

o

ndash 1ρ1 d4

1

(12b)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

d1 d2 = Diaacutemetros internos de tuberiacuteas corrientearriba y corriente abajorespectivamente o diaacutemetroshidraacuteulicos equivalentes

mm pulg

(DP)k = Caiacuteda de presioacuten debido a cambio deenergiacutea cineacutetica del fluido

kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten adimensional (uselas curvas para boquillas en la Figura 5)

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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6 Calcule el nuevo valor para (DP)t = (DP)k + (DP)f donde (DP)f es la caiacuteda

de presioacuten por friccioacuten obtenida de la ecuacioacuten 7 PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash037 Repita los 3 uacuteltimos pasos si es necesario hasta obtener el (DP)f que

converja

Distribuidores de Tubo Perforado ndash Use el mismo procedimiento descrito enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 para distribuidores de tubo perforado en flujo liacutequidoexcepto para el caacutelculo de aacuterea total requerida de los orificios de salida que secalcula por la siguiente ecuacioacuten en lugar de la ecuacioacuten 14 enPDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03

Ao +

F16

W

C Y ρ1 (DP)o(14)

donde

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

Ao = Area total requerida de los orificios mm2 pulg2

C = Coeficiente de flujo del orificio (Fig7A oacute 7B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

adim adim

(DP)o = Caiacuteda de presioacuten a traveacutes de los orificios kPa psi

W = Flujo maacutesico kgs lbmh

Y = Factor de expansioacuten (use las curvas delos orificios en la Fig 5 )

adim adim

ρ1 = Densidad del gas a la entrada de latuberiacutea

kgm3 lbmpie3

F16 = Factor cuyo valor depende de lasunidades deseadas

223x103 0415x10 ndash3

52 Caacutelculo para Caiacuteda de Presioacuten Integrada para Sistemas de Tuberiacutea

Use el procedimiento dado a continuacioacuten para caacutelculo de caiacuteda de presioacuten encualquier sistema de flujo conteniendo maacutes de un componente simple de tuberiacutea

Estimado Aproximado ndash Para todos los gases se puede obtener una caiacuteda depresioacuten aproximada en tuberiacutea de acero comercial mediante la ecuacioacuten (4) encombinacioacuten con el procedimiento de flujo de liacutequido dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03 Para caiacutedas de presioacuten use la ecuacioacuten 4 como sedescribioacute anteriormente para caiacutedas de presioacuten mayores use el procedimientopresentado a continuacioacuten

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Estimado Preciso ndash Para todos los gases el estimado preciso de caiacuteda de

presioacuten en sistemas de tuberiacutea se obtiene de la siguiente manera1 Divida el sistema en consideracioacuten en secciones de flujo maacutesico constante

y diaacutemetro nominal constante Divida cada seccioacuten que contenga un orificioboquilla o venturi en una seccioacuten corriente arriba el orificio boquilla o venturien siacute y una seccioacuten corriente abajo

2 Calcule las caiacutedas de presioacuten en las secciones individuales comenzando alfinal donde la presioacuten es conocida

a La caiacuteda de presioacuten en cualquier seccioacuten que contenga tuberiacuteavaacutelvulas y codos se calcula siguiendo el procedimiento dado para

tuberiacutea recta vaacutelvulas y codos son contabilizados sumando suscoeficientes de resistencia K (de la Figura 5A oacute 5B dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) a un coeficiente de resistencia de tuberiacuteaN con la ecuacioacuten 11b Verifique si hay velocidad soacutenica en cualquiervaacutelvula Si esto ocurre trate la vaacutelvula como un orificio

b La caiacuteda de presioacuten en cualquier expansioacuten contraccioacuten orificioboquilla venturi o uniones de flujo tipo ldquoTrdquo e ldquoYrdquo se calcula como semuestra arriba para componentes simples de tuberiacutea

3 Combine las diferentes caiacutedas de presioacuten para obtener la distribucioacuten depresioacuten en el sistema de tuberiacutea completo

6 PROBLEMAS TIPICOS

Problema 1 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas en Tuberiacutea Recta

Datos Aire a 2300 dm3 s (5000 SCFM) (a condiciones estaacutendar) estaacutefluyendo en una tuberiacutea estaacutendar de acero de 90 mm (3 12rdquo)Temperatura = 15_C (60_F) Presioacuten corriente arriba = 700 kPamanomeacutetricos (100 psig)

Encuentre Cual es la caiacuteda de presioacuten en 30 m (100 pie) de tuberiacutea

Solucioacuten

Diaacutemetro interno de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) d = 9012 mm(3548 pulg)

Area transversal de la tuberiacutea (Tabla 1 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash02) A = 6381mm2 (989 pulg2)

Densidad del aire a 15_C (60_F) y 101325 kPa (1 atm) = 1226 kgm3 (007644lbmpie3)

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Velocidad maacutesica

Gh + 2300 dm3

s m3

1000 dm3 1226 kgm3 1

6381 mm2= 4420 x 10 ndash4 kgs mm2

(2216 x 103 lbmhpulg2)

Presioacuten corriente arriba P1 = 700 kPa man (100 psig) = 801325 kPa abs(1147 psia)

Densidad corriente arriba (a 15_C y 700 kPa man (60_F y 100 psig))ρ1 = 9696 kgm3 (0596 lbmpie3)

Relacioacuten de capacidad caloacuterica k = 14Viscosidad a cond corriente arriba = 18 x 10 ndash5 Pas (0018 cP)

Reynolds (Ec6)

Re + F5 W

dm+ F5 GhA

dm+ (127x103) (442x10 ndash4) (638x103)

(901) (18x10 ndash5)+ 22x106

Rugosidad relativa (Fig 1 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

aringd + 00005

Factor de friccioacuten (Ec 4 PDVSAndashMDPndash02ndashFFndash03)

f + ndash36 log

69Re

) aringd

37111

ndash2

+ ndash36 log 69

22 10 ndash6) 00005

37111

ndash2

f + 00042

Coeficiente de resistencia de tuberiacutea (ecuacioacuten 7)

N + F14f Ld

+(4 x 103) (00042) (30)

9012+ 559

Abcisa en la Fig 3B G2

P1 ρ1

+(442 x 10 ndash4)2

(8013) (9696)+ 251x10 ndash11 (00787)

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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De la Figura 3B para Gh2 P1 ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) y N = 559 (interpolando

graacuteficamente entre las curvas para N = 4 y N = 6 DPP1 =0074 (0082) DP =(DPP1) (P1) = (0074) (8013) = 592 kPa (94 psi)

Respuesta P = 592 kPa (86 psi)

Solucioacuten Alterna

Usando el meacutetodo simplificado (Ec 4)

Flujo maacutesico W GA = (422 x 10 ndash4) (6381) = 282 kgs (2293 x 103lbmh) De laTabla 2 para tuberiacutea de acero de 90 mm (3 12 pulg) C2 = 10

DP+

F20C2W2

ρ +023 x

10 x (282)2

9696 +189 kPa

m

DP = 189 kPam x 30 m

Respuesta DP = 566 kPam (82 psi)

Problema 2 ndash Caiacuteda de Presioacuten de Gas a traveacutes de una vaacutelvula de Globo

Datos Los mismos del Problema 1

Encontrar La caiacuteda de presioacuten como en el Problema 1 pero con una vaacutelvulade globo de 90 mm en la liacutenea

Solucioacuten

Coeficiente de resistencia de vaacutelvula (Tabla 2 y Fig 5A dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) K = 57 Coeficiente de resistencia total de la liacutenea maacutesla vaacutelvula

N = N de liacutenea (Problema 1) maacutes el K de la vaacutelvula

N = 559 + 57 = 1129

De la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) (del Problema 1) y N= 1129 (interpolando graacuteficamente entre las curvas para N =10 y N = 15) DPP1

= 0155 (0175)

DP + (DPP1) (P1) + (0 155) (801 3) + 124 kPa

Respuesta P = 124 kPa (18 psi)

Problema 3 Flujo Soacutenico

Datos Los mismos del Problema 2

Encontrar

1 iquestA que longitud de la liacutenea (con la vaacutelvula de globo) el flujo seraacute soacutenico alfinal

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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2 iquestA que presioacuten corriente abajo el flujo seraacute soacutenico en 30 m (100 pie) de liacutenea

(con la vaacutelvula de globo) iquestQueacute temperatura habraacute a la salida iquestCuaacutel seraacuteel caudal de flujo

3 iquestPara un cuerpo de vaacutelvula de 75 mm (3 pulg) de diaacutemetro son suficientes75 m (25 pie) entre la vaacutelvula y el final de la tuberiacutea para evitar flujo soacutenicoen la vaacutelvula

Solucioacuten

1 Mediante la Figura 3B para G2 P1ρ1 = 251 x 10 ndash11 (00787) se encuentraque el flujo seraacute soacutenico cuando N = 36 El coeficiente de resistencia de latuberiacutea sola es entonces 36 ndash 57 = 303 Por lo tanto

L +dN

F14 f + x(9012) (303)

(4x103) (00042) + 1625 m (533 pie)

Respuesta 1625 m (533 pie)

2 De la Figura 3B interpolando graacuteficamente para N = 1129 se encuentra queel flujo seraacute soacutenico cuando DPP1 = (P1 ndash P2) P1 = 079 Entonces P2 =P1 ndash 079 P1 = (021) (8013) = 1683 kPa (97 psig) 1683 kPa abs =670 kPa man

Respuesta 670 kPa man (97 psig)

De nuevo con la Figura 3B el punto donde la curva para N = 1129 interceptelos liacutemites de la curva para que el flujo soacutenico corresponde al valor de T2 T1

de 085

Entonces T2 = 085 T1 = 085 (15+273) = 245 K = ndash28_C (ndash18_F)

Respuesta T2 = ndash28_C (ndash18_F)

El caudal de flujo es dado por la abscisa en la Figura 3B En el punto dondeel flujo es soacutenico y N = 1129 Gh2 P2ρ1 = 692 x 10 ndash11 (0787) EntoncesGh

2 = 692 x 10 ndash11 P1ρ1 = (692 x 10 ndash11) (8013) (9696) = 538 x 10 (1380)

Gh = 538 x 10 ndash7 = 733 x 10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2)

W = AG = (6380) (733 x 10 ndash4) = 467 kgs (368 x 103 lbmh)

Respuesta W = 467 kgs(37030 lbmh)

Hasta este punto se ha supuesto que el factor de friccioacuten f permanece en00042 Los caacutelculos de Re y factor de friccioacuten (con la ecuacioacuten 4 dePDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03) indican que esto es correcto

3 Para verificar si el flujo es soacutenico en la vaacutelvula use la ecuacioacuten (11a) Sepuede encontrar la presioacuten y la densidad corriente abajo de la vaacutelvulaconsiderando solamente los uacuteltimos 75 m de la liacutenea Para ese tramo elcoeficiente de resistencia es

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

Page 28: Flujo en Fase Gaseosa

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N +F14 fL

d

+(4x103) (00042) (75)

9012

+ 140

De la Figura 3 B interpolando graacuteficamente para N = 140 se encuentra queρ1 el flujo al final de la liacutenea seraacute soacutenico cuando DPP1 = 057 y Gh

2 P1ρ1= 29x10 ndash10 (086) donde P1 y ρ1 en este caso son la presioacuten y la

densidad respectivamente justo corriente abajo de la vaacutelvula

En la parte 2 arriba se encontroacute que para flujo soacutenico a la salida de la tuberiacuteaGh = 733x10 ndash4 kgsmm2 (3750 lbmhpulg2) Entonces P1ρ1 =Gh

2 29x10 ndash10 = (733x10 ndash4) 229x10 ndash10 = 185 x (kPa) (kgm3) (1673 psilbmpie3)

Para una vaacutelvula de 75mm (3 pulg) de diaacutemetro el aacuterea de seccioacutentransversal A = 4417 mm2 (684 pulg2) Usando A = 4417 K = 14 (delProblema 1) y P1P 1 = 185x103 (1673) y resolviendo la ecuacioacuten 11a el flujomaacutesico en el cual el flujo se hace soacutenico en la vaacutelvula es

W + F22 A kP1 x F23 ρ1 + 10 ndash3 x 4417 x 14 x 185

+ 841 kgs (6668 x 103 lbmh)

Este valor es mayor que el encontrado en la parte 2 de este problema porlo tanto no habraacute flujo soacutenico en la vaacutelvula a las condiciones dadas corriente

arribaRespuesta 75 m (25 pie) de tuberiacutea corriente abajo dela vaacutelvula es suficiente para prevenir el flujo soacutenico eneacutesta

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

Page 29: Flujo en Fase Gaseosa

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7 NOMENCLATURA

(Unidades inglesas en pareacutentesis)

A = Area mm2 (pulg2)

Ao = Area total de orificio en distribuidores de tubo perforado mm2 (pulg2)

C = Coeficiente de flujo para orificios boquillas y venturis adimensional

Cp = Capacidad caloacuterica especiacutefica a presioacuten constante KJkg_C (BTUlbm_F)

Cv = Capacidad caloacuterica especiacutefica a volumen constante KJkg_C (BTUlbm_F)

C2 = Funcioacuten de F y d ver Tabla 2A

D = diaacutemetro interno de la tuberiacutea m (pie)d = diaacutemetro interno de la tuberiacutea mm (pulg)

E = Energiacutea interna MJkg (BTUlbm)

F = Friccioacuten o peacuterdida de cabezal kPam3 kg (pielbm)

Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ver lista al final)

f = Factor de friccioacuten Fanning adimensional

G = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbms pie2)

Gh = Velocidad maacutesica kgsmm2 (lbmhrpulg2)

g = Aceleracioacuten de la gravedad ms2 (pies2)

K = Coeficiente de resistencia de vaacutelvulas accesorios y cambios de seccioacutentransversal adimensional

k = Relacioacuten de calor especiacutefico = Cp Cv adimensional

L = Longitud de la tuberiacutea longitud actual maacutes longitud equivalente de accesoriom (pie)

M = Peso molecular (psf o psi)

N = Coeficiente de resistencia de tuberiacutea adimensional

P = Presioacuten kPa (psf o psi)

DP = Caiacuteda de presioacuten kPa (psf o psi)

Q = Calor agregado MJkg (BTUlbm)

qrsquo = Flujo volumeacutetrico dm3 s a 15_C y 101325 kPa (SCFH a 60_F y 147 psia)

R = Constante de gases = 8314x10 ndash3 MJkmolk (1073 psia pie3 lbmol_R)

r = Factor de recuperacioacuten de presioacuten de orificios boquillas y venturisadimensional (Fig10 de PDVSAndash MDPndash02ndashFFndash03)

Re = Nuacutemero de Reynolds adimensional

Sg = Gravedad especiacutefica del gas relativa al aire a 15_C (60_F) adimensional

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T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

T = Temperatura _K (_R)

t = Temperatura _C (_F)V = Velocidad lineal del fluido promediada en la seccioacuten transversal de flujo ms

(pies)

v = Volumen especiacutefico del fluido m3 kg (pie3 lbm)

v = Volumen especiacutefico del fluido promedio m3 kg (pie3 lbm)

W = Flujo maacutesico kgs (lbmh)

Ws = Trabajo del eje kPam3 kg (pie lbflbm)

Y = Factor de expansioacuten adimensional

Z = Factor de compresibilidad del fluido adimensional

z = Altura m (pie)

m = Viscosidad Pas (lbmpies)

ρ = Densidad del fluido kgm3 (lbmpie3)

Subiacutendices (a menos que se indique en otro sitio)

eq = Equivalente (para diaacutemetro hidraacuteulico equivalente)

f = Friccioacuten fuerza

i = Entrada

k = Cineacutetical = liacutenea

m = Masa

o = Perforacioacuten orificio

p = Distribuidor de tubo

s = Flujo soacutenico (= criacutetico = estrangulado)

t = Total

1 = Localizacioacuten o condicioacuten corriente arriba

2=

Localizacioacuten o condicioacuten corriente abajo

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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VER ECUACION (4)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

Page 31: Flujo en Fase Gaseosa

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Factores cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidadesmeacutetricas

En unidadesinglesas

F2 = ecuacioacuten (1a) 1 144

F3 = ecuacioacuten (6a) 10 ndash3 124

F5 = ecuacioacuten (6c) 127x103 631

F13 = ecuacioacuten (12a)(12b) 81x108 028x10 ndash6

F14 = ecuacioacuten (7) 4x103 48

F16 = ecuacioacuten (14) 223x103 0415x10 ndash3

F17 = ecuacioacuten (1a) 1x103 778

F18 = ecuacioacuten (2a)(2b) 2x10 ndash9 9266x103

F19 = ecuacioacuten (3)(3a)(3b) 10 ndash9 4633x103

F20 = ecuacioacuten (4) 023 10 ndash9

F21 = ecuacioacuten (6b) 156 0482

F22 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 17x103

F23 = ecuacioacuten (11a) 10 ndash3 1

F24 = ecuacioacuten (11b) 913 223

F25 = ecuacioacuten (11b) 31623 681

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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VER ECUACION (4)

TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1986

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

httpslidepdfcomreaderfullflujo-en-fase-gaseosa 3846

W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

Page 32: Flujo en Fase Gaseosa

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8 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuacioacuten se presentan los programas de computacioacuten disponibles para elmomento en la industria

INPLANT versioacuten 31 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador que permitedisentildear evaluar yu optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesoindustriales Puede utilizarse para dimensionar liacuteneas determinar la potencia debombas y compresores predecir temperaturas presiones velocidades y flujosPermite el caacutelculo de tuberiacuteas con accesorios y caacutelculos en una fase o multifase

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Caracas y Pto la Cruz)

ndash LAGOVEN (Occidente y Amuay) ndash MARAVEN (Occidente)

PIPEPHASE versioacuten 7 (SIMSCI Latinoamerica CA) Simulador de redes de flujode fluidos en estado estacionario o trasciente que permite el disentildear evaluar yuoptimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de produccioacuten

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash CORPOVEN (Oriente)

ndash LAGOVEN (Oriente y Occidente)

ndash MARAVEN (Occidente)

THE CRANE COMPANION versioacuten 20 Crane Versioacuten computarizada delTechnical Paper No 410 ldquoFlow of Fluids trough Valves Fittings and PiperdquoPrograma que permite disentildear evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos atraveacutes de tuberiacuteas tubos y vaacutelvulas asiacute como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo

Las siguientes filiales disponen del mismo

ndash INTEVEP

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

9

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

832019 Flujo en Fase Gaseosa

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Fig 4 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 4 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente abajo

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICATemperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Acetaldeido CH3CHO 30 114

Acido Aceacutetico CH3CHOOH 136 115

Acetileno C2H2 15

ndash71

126

131

Aire 925

17 ndash78

ndash118

136

14031408

1415

Amoniaco NH3 15 1310

Argoacuten Ar 15

ndash180

0ndash100

1668

176 ()

167

Benceno C6H6 90 110

Bromo Br2 20ndash350 132

Dioacutexido de Carboacuten CO2 15 ndash75

1304137

Disulfito de Carbono CS2 100 121

Monoacutexido de Carbono CO 15

ndash180

1404

141

Cloro Cl2 15 1355

Cloroformo CHCl3 100 115

Cianuro (CN)2 15 1256

Ciclohexano C6H12 80 108

Diclorodifluorometano CCi2F2 25 1139Etano C2H6 100

15

ndash82

119

122

128

Alcohol Etiacutelico C2H5OH 90 113

Eter C2H5OC2H5 35

80

108

1086

() _F = 18 x _C + 32

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Menuacute Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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TOMADO DEL CRANE Co TECHNICAL PAPER Nordm 410 (Reproducido del Manual de Ingenieriacutea Disentildeo Junio 1986)

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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TABLA 2 B FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ndash

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Fig 3 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION CORRIENTE

ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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Fig 3 B CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 3 C CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIA CON PRESION corriente arriba

CONOCIDA (K = CPCV = 18)

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Fig 4 A CAIDA DE PRESION DE GAS EN TUBERIAS CON PRESION CORRIENTE

ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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CONOCIDA (K = CPCV = 14)

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Fig 5 FACTORES DE EXPANSION PARA ORIFICIOS BOQUILLAS Y VENTURIS

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Etileno C2H4 100

15

ndash91

118

1255

135

Helio He ndash180 1660

N ndash Hexano C6H14 80 108

Hidroacutegeno H2 15 ndash76

ndash181

14101453

1597

Bromhiacutedrico HBr 20 142

Clorhiacutedrico HCl 15

100

141

140

Acido Cianhiacutedrico HCN 65

140

210

131

128

124

Iodhiacutedrico Hl 20ndash100 140Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 15 132

Iodo l2 185 130

Isobutano C4H10 15 111

Kripton Kr 19 168

Mercurio Hg 360 167

Metano CH4 600

300

15

ndash80 ndash115

1113

116

131

134141

Metil Acetato CH3COOCH3 15 114

Alcohol CH3OH 77 1203

Eter CH3OCH3 6ndash30 111

Metilal CH2(OCH3)2 13

40

106

109

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

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TABLA 2 A FACTORES C2 PARA CALCULO SIMPLIFICADOS DE CAIDA

DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

0 5

[ K

s ]

g

[ K

m

]

g

3

0 5

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Fig 1 CAIDA DE PRESION DE GAS APROXIMADA EN TUBERIA COMERCIAL

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Fig 2 VOLUMEN ESPECIFICO DE VAPOR

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ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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TABLA 1 RELACION DE CAPACIDAD CALORICA ESPECIFICA PARA GASES A

PRESION ATMOSFERICA (CONT)Temperatura

Componente Formula C () k = CpCv

Neoacuten Ne 19 164

Oxido Niacutetrico NO 15

ndash45

ndash80

1400

139

138

Nitroacutegeno N2 15

ndash181

1404

147Oxido Nitroso N2O 100

15

ndash30

ndash70

128

1303

131

134

Oxiacutegeno O2 15

ndash76

ndash181

1401

1415

145

n ndash Pentano C5H12 86 1086

Foacutesforo P 300 117Potasio K 850 177

Sodio Na 750ndash920 168

Dioxido de Sodio SO2 15 129

Xenon XE 19 166

Fuente International Critical Tables of Numerical Data Physics Chemistry and TechnologyNational Research Council Washintong DC 1923 ndash 1933 (Reproducido del Manual de

Ingenieriacutea de Disentildeo Junio 1996)

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DE PRESION (SISTEMA METRICO)

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DE PRESION (SISTEMA INGLES)

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W ρ

0 5

[ k l b m

h ] [ l b m p i e ] 3

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g

[ K

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ARRIBA CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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ABAJO CONOCIDA (K = CPCV = 10)

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