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Un análisis detallado de los fenómenos de transporte, con un enfoque específico en el transporte de masa y momento a través de tuberías. Se introduce el concepto del número de reynolds, que permite caracterizar el tipo de flujo (laminar, de transición o turbulento) y su relación con el factor de fricción. Se explica cómo la rugosidad relativa de la tubería afecta el factor de fricción y las pérdidas de carga. Además, se describe la metodología seguida para la construcción de un prototipo de tubería y los cálculos realizados para determinar variables como el volumen, caudal, número de reynolds, rugosidad relativa, factor de fricción, pérdidas de carga y potencia. Este documento proporciona una sólida base teórica y práctica sobre el transporte de masa y momento en sistemas de tuberías, lo que lo convierte en un recurso valioso para estudiantes y profesionales interesados en la dinámica de fluidos y la ingeniería de procesos.
Tipo: Apuntes
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Se puede definir como el número adimensional que es utilizado principalmente en la mecánica de fluidos y fenómenos de transporte que caracteriza el movimiento de algún fluido, ya que es el cociente de la fuerza de inercia sobre el elemento del fluido, entre la fuerza de viscosidad, así mismo permite establecer la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un tipo de flujo laminar o turbulento. Por lo tanto, el número de Reynolds esta relaciona las propiedades físicas, la velocidad y la geometría que presenta el ducto por el que fluye y está dado por lo siguiente: 𝑅𝑒 = 𝐷 ∗ 𝑣 ∗ 𝜌 𝜇 Donde: Re = Número de Reynolds. D = Diámetro de la tubería. V = Velocidad del fluido. 𝜌 = Densidad (densidad del agua =1000 kg/m^3 ). 𝜇 = Viscosidad dinámica. Se debe de tener en cuenta los siguientes rangos considerando el número de Reynolds para cada uno de los tipos de régimen o flujo que presenta, son: Si Re < 2300 , el flujo es laminar. Entre 2300 < Re < 4000 existe una zona de transición de flujo laminar a turbulento. Si Re > 4000, el flujo es turbulento (López, 2020).
En el flujo laminar, las partículas fluidas que contiene se logran mover en trayectorias paralelas, formando así capas o láminas de una manera uniforme y regular, como cuando se abre una llave (grifo) de agua lentamente hasta que el chorro de este líquido es uniforme, estable y ordenada (figura 1). Figura 1. Flujo laminar de un fluido perfecto.
Se lleva a cabo, cuando la línea del flujo pierde estabilidad, formado pequeñas ondulaciones que varían con el tiempo establecido, manteniéndose delgada. La caída de presión y las características de la transferencia de calor cambian, lo cual se puede considerar con un factor de importancia para diseñar un sistema.
Es el movimiento de un fluido que se produce de una forma caótica, las partículas se desplazan de una manera desordenada y las trayectorias de ellas producen pequeños remolinos aperiódicos, por ejemplo, el agua que está contenida en un canal de gran pendiente. Gracias a esto, la trayectoria que lleva a cabo una partícula se puede predecir hasta cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible a través de ella, más precisamente es caótica (Jaramillo, 2015).
Por lo tanto, si se conoce la rugosidad relativa de la superficie interna de la tubería, entonces se puede obtener en valor del factor de fricción en el gráfico de Moody. La rugosidad de la tubería, es el valor promedio de la altura de las irregularidades de la superficie interior de la tubería dependiendo del material (tabla 1). Tabla 1. Rugosidad de la tubería. Material (^) Rugosidad superficial 𝜺 , mm Tubo estirado (bronce, plomo y vidrio) 0. Acero comercial o hierro forjado 0. Hierro fundido asfaltado 0. Hierro galvanizado 0. Hierro fundido 0.
Depende en gran medida de la rugosidad relativa, lo cual el número de Reynolds es muy grande, el factor de fricción es independiente del número de Reynolds. Lo cual puede ser determinada por la ecuación de la “rugosidad relativa”.
Este tipo de factor de fricción es independiente de la rugosidad de la superficie interna de la tubería. Sin embargo, el número de Reynolds de transición que es aceptado por medio del flujo en una tubería circulas promedio es Red d, crit =2300, por lo tanto, el factor de fricción es inversamente proporcional a la velocidad y puede ser calculado por medio de la siguiente expresión matemática (Connor, 2019): 𝑓 = 64 𝑅𝑒
La pérdida de carga se puede definir como la perdida de presión que se produce en un fluido a través de la fracción de las partículas que contiene el fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las condice. Por lo tanto, las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, por medio de circunstancias particulares, tales como un estrechamiento o cambio directo de una válvula. Las pérdidas de carga pueden ser continuas o localizados, se pueden definir como:
correspondientes a piezas especiales que logran variar la dirección del paso del fluido, por ejemplo, derivaciones, codos, válvulas y filtros (PRESSMAN, 2018).
1 m de tubo CPVC de ½ pulgada. 4 codos chico o codo corto de 90°. 1 llave de paso. 1 pegamento de CPVC. 1 lámina de segueta. 1 cinta de medir.
Figura 3. Esquema del boceto de su funcionamiento de una tubería. Figura 4. Prototipo de una tubería.
Finalmente, podemos concluir que el realizar un prototipo sobre una tubería, donde se llevó a cabo por medio del movimiento de líquidos por el interior de conducciones circulares. Dentro de la dinámica de estos, siempre ocurre una fricción de los mismos con la tubería y en diferentes accesorios, ocasionando pérdidas de presión en el flujo a lo largo de su trayectoria. Sin embargo, el flujo de fluidos es una parte crucial para realizar operaciones en las plantas industries de procesos químicos. Por lo tanto, la pérdida de carga se basa en la disminución de la presión en el interior de las tuberías causadas por el movimiento del fluido. Para poder conocer su valor se necesita tener en cuenta las dimensiones de las tuberías por las que circula el fluido y las características de la bomba para mantener en movimiento el fluido. Cuando se habla del flujo en tuberías, se hace referencia al comportamiento de las partículas fluidas al momento de moverse. De esta manera puede entrar dentro de dos regímenes laminar y turbulento, por medio de estos se permite calcular el factor de fricción para posteriormente saber la potencia de la tubería.
Anaya, I. ( 2014 ). Evaluación de ecuaciones de factor de fricción explícito para tuberías [Archivo PDF]. Fecha de consulta el 30 de octubre del 2022. Recuperado de Universidad Nacional Autónoma de México: https://www.scielo.org.mx/ pdf/eq/v25n2/v25n2a7.pdf Connor, N. (2019). Factor de fricción [Sitio web]. Fecha de consulta el 30 de octubre del 2022. Recuperado de la Investigación y Desarrollo en Ciencia: http://www.fcb.uanl.mx/IDCyTA/files/volume1/2/10/148.pdf Jaramillo, D. (2015). NÚMERO DE REYNOLDS [Archivo PDF]. Fecha de consulta el 30 de octubre del 2022. Recuperado de la Corporación Universitaria Minuto de Dios:https://repository.uniminuto.edu/bitstream/10656/4849/1/T.IC%20JARAMILL O%20DIAZ%20JULIAN%20DAVID.pdf López, E. (2020). Diseño y construcción de un prototipo de Osborne Reynolds para el estudio de flujo de fluidos [Archivo PDF]. Fecha de consulta el 30 de octubre del
