1.- INTRODUCCION Esta investigación se desarrolló para estudiar el comportamiento del agua o fluidos a través de tuberías. El cual puede estar constituido por varios accesorios y materiales según su función; algunos más utilizados como las redes de agua potable, drenaje, riego, es donde más tiene hincapié el tema. Algunos materiales utilizados pueden ser; PVC, hierro fundido, acero, plomo, concreto etc. A demás se estudiarán las diferentes ecuaciones que son utilizadas en el estudio de tuberias.
5.- TUBERIAS 5.1.- DEFINICION En hidráulica se entiende por tubería cualquier conducto cerrado de desarrollo importante (como mínimo alrededor de 500 veces su diámetro, -10), que trasporte agua sin superficie libre, es decir presión, por lo que al insertar un piezómetro en cualquier punto de su recorrido el agua asciende en el a mayor nivel que la clave (parte superior) del entubamiento; por lo general son de sección circular. Las partes de una tubería son: entrada, salida, tubos o tramos, juntas, piezas especiales o conexiones, válvulas o llaves y medidores, principalmente. 5.1.1.- CLASIFICACION Los sistemas de tuberías que se distribuyen el agua en el campo, las ciudades o en grandes plantas industriales pueden ser extremadamente complicados. En esta clasificación solo se consideran algunos casos bajo condiciones relativamente sencillas. Las tuberías pueden clasificarse en simples, en serie, equivalentes, con descarga libre y con descarga ahogada. A). - TUBERIA SIMPLE Una tubería es simple cuando en toda la longitud considerada se tiene el mismo diámetro, con las mismas características y sin ramificaciones. B). - TUBERIA EN SERIE Una tubería esta enserie cuando en la longitud considerada se tienen tramos de diferentes diámetros y características, acoplados uno detrás de otro y sin ramificaciones. C). - TUBERIA EQUIVALENTE Una tubería es equivalente cuando se tiene otra que da la misma perdida de carga y el mismo gasto. Algunas veces las pérdidas de carga localizadas se pueden expresar en longitudes de tubería equivalente. D). - TUBERIA CON DESCARGA AHOGADA Una tubería es con descarga ahogada cuando el nivel del agua a la salida es mayor que el de la clave del tubo. E). - TUBERIA CON DESCARGA LIBRE Una tubería con descarga libre, cuando el nivel del agua a la salida es menor que el de la parte inferior del tubo.
Cuando las tuberías son más de una conforman un sistema. Los sistemas de tuberías pueden clasificarse en: compuesto, en paralelo, ramificado o en parrilla. Sistema de tuberías compuesto. Un sistema de tuberías es compuesto cuando está constituido por varias tuberías en serie. Sistema de tuberías en paralelo. Un sistema de tuberías está en paralelo cuando se constituye por dos o más tuberías que partiendo de un punto vuelven a unirse en otro punto, aguas abajo del primero. Sistema de tuberías ramificado. Un sistema de tuberías es ramificado cuando está constituido por dos o más tuberías que se dividen en cierto punto y no vuelven a unirse aguas abajo. Sistema de tuberías en parrilla. Se dice que un sistema de tuberías esta en parrilla cuando forma una red constituida por tuberías interconectadas entre sí, formando circuitos, de tal manera que el gasto que se tiene a través de determinada salida puede provenir de varios circuitos. Tal es el caso de los sistemas de abastecimiento de agua potable en los centros urbanos. 5.2.- NUMERO DE REYNOLDS El Número de Reynolds trata de cuantificar la preponderancia de las fuerzas de inercia durante el movimiento de un fluido; frente a las fuerzas viscosas que se oponen a él. Dimensionalmente el Número de Reynolds está definido por: 𝑅� = �*�/� Donde: V: Velocidad media. d: Longitud característica del sistema, en el caso de flujo a presión en tuberías representa el diámetro interno del conducto. u: Viscosidad cinemática del fluido, dependiente de la temperatura El valor del Número de Reynolds es el complemento a la percepción visual para distinguir los estados de flujo. Estos estados son:
A). - En flujo laminar: las partículas fluidas se mueven en trayectorias paralelas, formando el conjunto de ellas capas o láminas.
Siendo la velocidad de las capas adyacentes de fluido de distinta magnitud. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona las tensiones cortantes con la velocidad de deformación angular.
B). - El flujo en transición: es aquel donde toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido.
C). - En flujo turbulento: las partículas del fluido se mueven en forma desordenada en todas direcciones, es prácticamente imposible conocer la trayectoria que siguen de forma individual.
Los límites aceptados convencionalmente entre los que oscila el Número de Reynolds, para tuberías, en los distintos estados son:
Flujo Laminar
Re < 2000
Flujo Turbulento
Re > 4000
Flujo en Transición
2000 < Re < 4000
5.3.- PERDIDAS DE CARGA LOCAL Son aquellas pérdidas provocadas por los accesorios etc. Estas pérdidas son relativamente importantes es el caso de tuberías cortas; en las tuberías largas, su valor es despreciable, por tal motivo frecuentemente no se usa en aducción excepto cuando se trate de aducción por bombeo para calcular la potencia de la bomba y está definida por la fórmula:
Donde: Hfc = Pérdida en los accesorios [m] V = Velocidad [m/s] K = Coeficiente que varía de acuerdo a los accesorios (tabla 5.5) g = Aceleración de la gravedad [m/s]2
5.4.- PERDIDAS DE CARGA POR LONGITUD Un método relativamente reciente para tomar en cuenta las perdidas localizadas es el de las longitudes equivalentes de tuberías. Un conducto de este tipo, que comprende diversas piezas especiales y otras características bajo el punto de vista de pérdidas de carga, equivale a una tubería rectilínea de mayor extensión. El método consiste en sumar a la extensión real de tubo para simple efecto de cálculo, extensiones que correspondan a la misma perdida de carga que ocasionarían las piezas especiales existentes en la tubería. A cada pieza especial corresponde una cierta longitud ficticia y adicional. Teniéndose en consideración todas las piezas especiales y demás causas de perdida, se llega a una longitud virtual de tubería. La pérdida de carga a lo largo de las tuberías puede ser determinada por la fórmula de Darcy-Weisbach:
Se observa entonces que la perdida de carga al pasar por conexiones, válvulas, etc., varia con la misma función de la velocidad que se tiene para el caso de resistencia al flujo en tramos rectilíneos de la tubería. Debido a esta identidad se pueden expresar las perdidas locales en función de longitudes rectilíneas de tubos. Por tanto, se puede obtener una longitud equivalente de tubo que corresponde a una pérdida de carga idéntica a la perdida de carga local, efectuándose:
En la que: Le = Longitud equivalente de tubería, en m Kx = coeficiente de perdida localizada debido a la causa “x” adimensional D = diámetro de la tubería en m f = coeficiente de fricción de Darcy, adimensional.
5.5.- ECUACION DE DARCY WEISBACH Es la formula básica para el cálculo de las pérdidas de carga en las tuberías y conductos, Darcy Weisbach y otros propusieron, con base en experimentos, que la perdida de energía resultante de la fricción en tuberías y conductos varia como:
Donde:
h f = Perdida de carga por fricción [m] f = Factor de fricción L = Longitud de la tubería [m] d = Diámetro de la tubería [m] V2 2g = Altura de velocidad [m] 5.6.- ECUACION DE HANZEN-WILLIAMS Es una fórmula que puede ser satisfactoriamente que puede ser aplicada para cualquier tipo de conducto y material. Sus límites de aplicación son los más amplios: diámetros de 50 a 3500 mm. La fórmula de Hazen Williams se usa en problemas de flujo en tuberías, la ecuación es la siguiente:
En donde: V = Velocidad [m/seg] R = Radio hidráulico [m] (cociente del área de la sección recta por el perímetro mojado simplificando: D/4) S = Pendiente de carga de la línea de alturas piezométrica (perdida de carga por unidad de longitud del conducto [m/m]) C = Coeficiente de la rugosidad relativa de Hazen Williams (tabla 5.1) En La figura 5.2 se presenta un monograma que permite una solución gráfica, rápida pero no muy precisa de la ecuación de Hazem-Williams. La gráfica dará como resultado bien sea, caudal, diámetro de la tubería o pendiente de energía dadas las otras dos variables. La figura está construida para C=140.
1) Dado D = 60cm S = 1.0m/1000m, C = 120, Determinar el caudal Q El monograma da Q100 = 170 l/seg. Para c = 120, Q = (120/100)170 = 204 l/seg. 2) Dado Q = 156 l/seg, D = 60cm, C = 120, Determinar la pérdida de carga. Cambiando Q120 a Q100: Q100 = (100/120)156 = 130 l/seg. El monograma da S = 0.60m/1000m 5.7.- GOLPE DE ARIETE Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento del líquido es modificado bruscamente, o por el paro o arranque de las bombas, este efecto genera una presión interna a lo largo de toda la tubería, la cual es recibida en su interior como un impacto. La fórmula es:
Donde: Hi = Sobre presión por golpe de ariete [m] V = Velocidad del agua en la tubería [m/s] Ea = Módulo de elasticidad del agua [kg/cm] Et = Módulo de elasticidad del material de la tubería [kg/cm2] d = Diámetro interior de la tubería [cm] e = Espesor de la tubería [cm]
Al cerrar instantáneamente o parar el equipo de bombeo, la compresión del agua y expansión de la tubería comienzan en el punto de cierre, transmitiéndose hacia arriba a una velocidad determinada, conocida como velocidad de propagación de la onda. El tiempo requerido para que la onda de presión regrese a la válvula es: Donde: L = longitud de la tubería [m] a = Celeridad de la onda de presión [m/s]
6.- CONCLUSION Para la carrera de ingeniería en agronomía es importante saber y conocer el tema de tuberías; porque se hace uso diario de este servicio, algunos casos como el riego a cultivos, fertirriego, son necesarios para la vida diaria. Aquí la importancia de la utilización de tuberías para la conducción del agua, una mayor y mejor distribución de este líquido ayuda a que sea más fácil distribuir este vital liquido a casi todas partes que queramos llevarlo.
7.- LITERATURA CITADA Hidráulica elemental R. Eduardo Arteaga Tovar, Chapingo México. Hidráulica de Tuberías. Juan G. Saldarriaga V. Mecanica de Fluidos - Potter. Universidad Mayor de San Simon.Abastecimiento de agua potable, Cap. V. Hidráulica de tuberías.
