tutorial flujo de fluidos en tubería, válvulas y accesorios
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7/26/2019 Tutorial Flujo de Fluidos en Tubera, Vlvulas y Accesorios
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SimQuim Tutorial: Flujo de fluidos en tubera, vlvulas y accesorios
Por: Javier Gan Rdz.
El propsito de este tutorial es dar introduccin del uso de la interfaz de simulacin del mdulo
Flujo de fluidos en tubera, vlvulas y accesorios, as como dar descripcin detallada de las
opciones de ingreso de datos y visualizacin de resultados; siendo llevado a cabo el anlisis bajo
el manejo de algunos ejemplos de diseo de tuberas, vlvulas de control y medidores de flujo.
Nota:Para la apertura del programa se requiere contar con una versin de Microsoft Office 2010 o 2013 (no
aplica la versin de prueba Microsoft Office STARTER incluida en las computadoras al ser adquiridas.)
El programa cuenta con una serie de comentarios ayuda que aparecen alseleccionar algunas
opciones y sirven para guiar al Usuario acerca del funcionamiento de las mismas. Adems, e
programa brinda mensajes que alertan al Usuario sobre algn valor errneo introducido, valores
omitidos o fuera de rango a fin de que al tratar de simular un escenario, el programa no de
resultados errneos.
A continuacin se presentar la descripcin de la nomenclatura en el manejo de colores de la
interfaz del programa (figura 1):
Fig. 1.- Nomenclatura de colores empleados.
Botn de opcin (negro: activado, blanco: desactivado)
Verde: Listas desplegables
Blanco: casilla de valor solicitado (obligatorio)
Casilla de seleccin (palomita:
activada, blanco: desactivada)
Gris: valor por default (valor fijo)
Azul: valores obtenidos o resultados
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El mdulo cuenta con una pantalla principal para la introduccin de datos, otra para la
visualizacin de resultados, dos para la consulta o referencia de ecuaciones y parmetros
empleados por el programa y dos para el diseo independiente de medidores de flujo y vlvulas
de control; dndose a continuacin detalle de cada una de ellas:
Pantalla de Introduccin de Datos
La pantalla de introduccin de datos se encuentra dividida en 3 secciones, descritas a
continuacin:
La seccin superior mostrada en la figura 2, es independiente de las otras dos secciones
e incluye las siguientes reas:
Especificacin de tubera
Condiciones de operacin
Propiedades calculadas
Anlisis por secciones de tubera
Fig. 2.- Seccin superior de la Pantalla de Introduccin de Datos.
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En la parte superior de la pantalla de Introduccin de Datos se encuentran 4 botones, de los
cuales el botn Ayudadirige a la pantalla de Referencia de Ecuaciones, el botn Limpiarelimina
cualquier dato ingresado y devuelve el programa a su estado predeterminado, el botn
Simular procesa la informacin introducida para la posterior visualizacin de los resultados
obtenidos y por ltimo el botnResultadosmuestra la pantalla de Visualizacin de Resultados
si una simulacin exitosa es llevada a cabo.
El rea de especificacin de tubera proporciona diferentes materiales de tubera de los cuales
dependiendo el seleccionado variar los valores de dimetro nominal y Cdula a poder
seleccionar posteriormente (conformidad con Normas ASTM, ANSI y ASME); siendo
automticamente proporcionado el valor de rugosidad para el material de tubera nueva
seleccionada, pudiendo ser este valor reemplazado manualmente por uno mayor si se desea.
Adems se proporcionan una gran cantidad de mtodos para el clculo del factor de friccin con
fines de comprobacin de la medida de efecto o influencia en la cada de presin de tubera y
accesorios a obtener (default: Colebrook-White); as como diversidad de ecuaciones para eclculo de la cada de presin para el manejo de gases ( default: Darcy-Weisbach).
El rea de condiciones de operacin la cual se activa al seleccionar la opcin Condiciones de
operacin proporciona 120 compuestos a poder ser seleccionados para su manejo; solicitando
el flujo que puede ser especificado como volumtrico o msico, as como las condiciones de
operacin de presin y temperatura a la entrada de la tubera. A modo de referencia son
reflejados automticamente en el rea de propiedades calculadas la fase y los valores de
densidad, viscosidad y presin de vapor del compuesto seleccionado al ser introducidas las
condiciones de operacin de presin y temperatura.
El rea de propiedades calculadas la cual se activa al seleccionar la opcin Propiedades
calculadas est incluida a fin de que el usuario pueda simular el manejo de compuestos no
incluidos (ejemplo: mezclas de crudo) al disponer del estado y propiedades termodinmicas de
densidad y viscosidad a las que se encuentra el fluido a la entrada de la tubera; tenindose
como limitacin al usar esta rea el desconocimiento de la presin de flasheo en el manejo de
lquidos.
El rea de anlisis por secciones de tubera provee la capacidad de poder analizar la cada de
presin en una tubera conformada por secciones de diferentes dimetros o simplemente en
diferentes puntos de una tubera de dimetro uniforme; debiendo ser activada cada una de ellas
segn se requiera al seleccionar la casilla Seccin 1, la casilla Seccin 2 o la casilla Seccin 3. Para
el manejo o anlisis de una sola seccin de tubera basta con tener seleccionada la Casilla de la
Seccin 1; mas esta puede ser desactivada a fin de poder llevar a cabo el clculo de cada de
presin exclusivamente con respecto al manejo o especificacin de accesorios o vlvulas
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(ejemplo: el anlisis riguroso de cada de presin por una reduccin, una vlvula, un medidor de
flujo o un conjunto de accesorios).
La seccin intermedia mostrada en la figura 3 est completamente enfocada a la seleccin
de los accesorios y vlvulas que incluirn cada una de las secciones de tubera que especifique
el Usuario en la seccin superior, pudindose omitir la introduccin de datos y uso de estaseccin intermedia en caso de no estar interesado en el manejo de accesorios.
Fig. 3.- Seccin intermedia de la Pantalla de Introduccin de Datos.
Al tener desactivada por ejemplo la casilla seccin 3, todas las opciones de especificacin de
accesorios y vlvulas que hagan referencia a la misma sern desactivadas; adems el dimetro
nominal del accesorio, vlvula o medidor de flujo es tomado igual al valor del dimetro nomina
especificado de la seccin de tubera a la cual pertenece.
Para el clculo de cada de presin tanto para accesorios como para vlvulas, son
proporcionados diferentes mtodos que varan en la rigurosidad obtenida de la cada de presin
de los mismos (default: Crane).
Debe tomarse en cuenta que en el manejo de gases solo la seleccin de la ecuacin Darcy-
Weisbach en el rea de especificacin de tubera permite incluir el efecto de cada de presin
por vlvulas y accesorios; por lo cual la seleccin de cualquier otra ecuacin (ejemplo: Isotrmica
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completa o Weymouth), despreciar el efecto de cada de presin de cualquier accesorio o
vlvula especificado en esta seccin.
La Seccin inferior est conformada por botones tanto para la visualizacin de datos como
para la del diseo de equipos (figura 4); estando dividida en 2 reas:
Informacin adicional
Diseo de equipos
Fig. 4.- Seccin inferior de la Pantalla de Introduccin de Datos.
El rea de Informacin adicional incluye el botn Base de Datos que redirige a la ventana quemuestra toda la informacin de tablas y parmetros de los cuales hace uso el programa para
llevar a cabo los clculos; tambin incluye el botn FlujoVel el cual muestra una ventana en
la cual se da referencia de los valores de flujo volumtrico recomendados para el manejo de
determinado dimetro nominal de tubera.
El rea de diseo de equipos incluye el botn Medidorespara el anlisis o diseo de medidores
de flujo; as como el botn Vlvulaspara el anlisis o diseo de vlvulas de control.
Pantalla de anlisis o diseo de Medidores
La pantalla de anlisis o diseo de medidores se encuentra dividida en 2 secciones, descritas a
continuacin:
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La seccin superior mostrada en la figura 5 est enfocada a la introduccin de todos los
datos requeridos para el clculo del medidor de flujo, es independiente de la seccin inferior e
incluye las siguientes reas:
Datos de entrada
Datos de salida
Datos de la tubera
Datos del medidor
Lectura del medidor
Fig. 5.- Seccin superior de la Pantalla de anlisis y diseo de medidores.
En la parte superior de la pantalla de anlisis o diseo de medidores se encuentran 4 botones,
de los cuales el botn Limpiarelimina cualquier dato ingresado y devuelve la pantalla a su estado
predeterminado, el botn Inicio cambia la pantalla actual a la pantalla de Introduccin dedatos, elbotn Simular procesa la informacin introducida para la posterior visualizacin de los
resultados obtenidos en la parte inferior de la pantalla y por ltimo el botnGraficargrafica los
resultados obtenidos si una simulacin exitosa es llevada a cabo.
Esta parte superior de la pantalla muestra 3 modalidades diferentes para la introduccin de
datos requeridos dependiendo de que variable a calcular se tenga seleccionada; mostrando del
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mismo modo parte de los resultados obtenidos al ser llevada a cabo una simulacin, resultados
que son mostrados en las reas que no requeran introduccin de datos antes de la simulacin.
El rea datos de entrada incluye toda la informacin solicitada de la corriente de entrada; en la
cual al ser introducidos las condiciones de operacin de presin y temperatura, es mostrado en
la parte inferior inmediata el estado o fase de la corriente a modo de referencia.
El rea datos de salida proporciona la presin de salida del flujo despus del medidor as comola cada de presin generada por el medidor.
El rea datos de la tubera solicita la informacin del material y diseo de la tubera en la cua
se encuentra instado el medidor.
El rea datos del medidor proporciona diferentes tipos de medidores y tomas a poder
seleccionar, reflejndose en la pantalla la imagen del medidor de flujo seleccionado; solicitando
adems el valor del dimetro del cuello u orificio del medidor de flujo.
El rea lectura del medidor dependiendo de qu variable a calcular se tenga seleccionada, oproporciona la cada de presin medida por el medidor de flujo y la altura de lquido en caso de
tenerse conectado un indicador de regleta al medidor de flujo; o solicita ya sea la altura del
lquido (figura 6) o la cada de presin medida (figura 7) dependiendo de qu botn de opcin
se tenga seleccionado.
Fig. 6.- Botn de altura de lquido activada. Fig. 7.- Botn de presin medida activada.
La seccin inferior (figura 8) muestra los resultados al llevarse a cabo una simulacin
exitosa tanto de las propiedades y condiciones de operacin de la corriente de entrada comolos clculos referentes al medidor de flujo; requirindose la seleccin del botn Graficar a fin de
poder visualizar los datos graficados en la grfica.
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Fig. 8.- Seccin inferior de la Pantalla de anlisis y diseo de medidores.
Pantalla de anlisis o diseo de vlvulas de control
La pantalla de anlisis o diseo de vlvulas de control se encuentra dividida en 2 secciones,
descritas a continuacin:
La seccin superior mostrada en la figura 9 est enfocada a la introduccin de todos los
datos requeridos para el clculo de la vlvula de control, es independiente de la seccin inferior
e incluye las siguientes reas:
Datos de entrada
Datos de salida
Datos de la vlvula
Caractersticas de diseo
Caractersticas de operacin
Datos tabulados
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Fig. 9.- Seccin superior de la Pantalla de anlisis y diseo de vlvulas de control.
En la parte superior de la pantalla de anlisis o diseo de vlvulas de control se encuentran 4botones, de los cuales el botn Limpiarelimina cualquier dato ingresado y devuelve la pantalla
a su estado predeterminado, el botn Inicio cambia la pantalla actual a la pantalla de
Introduccin de datos, elbotn Simular procesa la informacin introducida para la posterior
visualizacin de los resultados obtenidos en la parte inferior de la pantalla y por ltimo el botn
Graficargrafica los resultados obtenidos si una simulacin exitosa es llevada a cabo.
Esta parte superior de la pantalla muestra 3 modalidades diferentes para la introduccin de
datos requeridos dependiendo de qu operacin se tenga seleccionada; mostrando del mismo
modo parte de los resultados obtenidos al ser llevada a cabo una simulacin, resultados que sonmostrados en las reas que no requeran introduccin de datos antes de la simulacin.
El rea datos de entrada incluye toda la informacin solicitada de la corriente de entrada; en la
cual al ser introducidos las condiciones de operacin de presin y temperatura, es mostrado en
la parte inferior inmediata el estado o fase de la corriente a modo de referencia.
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El rea datos de salida ya sea solicita o proporciona la presin de salida del flujo despus de la
vlvula de control dependiendo de qu operacin se tenga seleccionada, mostrando en ambos
casos la cada de presin correspondiente.
El rea datos de la vlvula brinda la capacidad de poder especificar tanto el tamao y apertura
de la vlvula como la de especificar los accesorios adjuntos antes y despus de la vlvula; los
cuales son incluidos dado a el efecto que tienen en la presin de entrada a la vlvula como la de
la presin de salida medida respectivamente. Dado que la inclusin de accesorios adjuntos
aplica solamente a una distancia de 2 dimetros nominales corriente arriba y 6 dimetros
nominales corriente debajo de la vlvula, automticamente son actualizadas las distancias
resultantes al seleccionar un dimetro nominal de vlvula (D.N.) como lo muestra la figura 10.
Fig. 10.- Distancias de inclusin de accesorios adjuntos
El rea caractersticas de diseo se encuentra activa solo cuando se tiene seleccionada la
modalidad estimacin de datos; proporcionando una gran variedad de tipo de vlvulas y
obturadores con respecto a los cuales son estimados los valores del factor de recuperacin de
presin (FL) ubicados en la segunda columna de la tabla de datos tabulados.
El rea caractersticas de operacin tambin se encuentra activa solo al seleccionar la modalidad
estimacin de datos; siendo su funcin al introducir los valores de posicin de apertura de la
vlvula, coeficiente de flujo y curva caracterstica; la de estimar los valores del coeficiente de
flujo (CV) ubicados en la primera columna de la tabla datos tabulados que se ajusten a la curva
caracterstica seleccionada.
4 x 24 x 6
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La posicin de apertura es solicitada nicamente en % cuando el tipo de vlvula seleccionada
posee apertura lineal (ejemplo: vlvulas de globo, compuerta, diafragma) y en % o grados
cuando posee apertura rotatoria (ejemplo: vlvulas de mariposa, globo, macho).
El rea datos tabulados es donde se muestran los valores o parmetros (CV, FL, XT, Fd) propios de
la vlvula de control con respecto a su posicin de apertura; los cuales dependiendo de que
modalidad se tenga seleccionada ya sea sern estimados, tomados de datos reales de algn
modelo de vlvula, o sern solicitados a fin de que el usuario pueda introducir sus propios
valores.
Al seleccionar la modalidad seleccin de datos, aparecer en la parte superior inmediata e
botn >> (figura 11); el cual debe ser seleccionado a fin de poder desplazarse a la pantalla de
seleccin de modelos de vlvulas.
Fig. 11.- Visualizacin del botn >>.
La seccin inferior mostrada en la figura 12 muestra los resultados al llevarse a cabo unasimulacin exitosa tanto de las propiedades y condiciones de operacin de la corriente de
entrada como los clculos referentes a la vlvula de control.
Fig. 12.- Seccin inferior de la Pantalla de anlisis y diseo de vlvulas de control.
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Con respecto a la grfica en la parte derecha, est requiere para poder mostrar los resultados
graficados que sea seleccionado el botn Graficar.
Pantalla de seleccin de modelos de vlvulas
La pantalla de seleccin de modelos de vlvulases complemento de la pantalla de anlisis y
diseo de vlvulas; la cual provee al usuario una amplia variedad de modelos de vlvulas de
control dependiendo de qu dimetro nominal (Diam. Nom.) sea seleccionado (figura 13).
En la parte superior de la pantalla de anlisis o diseo de vlvulas de control se encuentran 2
botones, de los cuales el botn Volverregresa a la pantalla de anlisis y diseo de vlvulas y el
botn Aplicar toma los valores actuales visualizados en la tabla datos tabulados a fin de poder
ser usados en el anlisis o diseo de la vlvula de control.
La tabla modelos de vlvulas disponibles da descripcin detallada de cada uno de los modelos
que posea el dimetro nominal seleccionado a fin de que el usuario seleccione el que se ajuste
a sus necesidades; bastando con dar click en el botn de opcin que se encuentra en la parte
izquierda inmediata al modelo para ser seleccionado; de manera automtica ser presentar en
la tabla datos tabulados en la parte derecha de la pantalla, los valores o parmetros propios de
la vlvula con el modelo seleccionado.
Fig. 13.- Pantalla de seleccin de modelos de vlvulas.
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En la parte inferior de la tabla datos tabulados se encuentra el link Ver Catlogo 12,el cual al ser
seleccionado, abre la pgina en internet donde est alojado el catlogo en formato pdf que
provee el total de los modelos de vlvulas manejados por la compaa Emerson Co. Al ser
seleccionado el link, es posible que aparezca el mensaje mostrado en la figura 14, el cual es un
mensaje de confirmacin por parte de Microsoft Office para la apertura de cualquier archivo
que requiera conexin a internet; por lo cual bastar con dar click en el botn Aceptar.
Fig. 14.- Mensaje de confirmacin de apertura del catlogo en pdf.
Pantalla de velocidades de flujo recomendadas
La pantalla de velocidades de flujo recomendadases complemento de la pantalla principal de
introduccin de datos; la cual provee al usuario de los valores recomendados de velocidad de
flujo para lquidos y gases en tubera.
En la pantalla son mostrados en amarillo las velocidades de flujo (figura 15) recomendadas con
respecto al dimetro de tubera al cual hace referencia en la ordenada y con respecto al flujo
volumtrico al cual hace referencia en la abscisa; pudiendo el usuario cambiar la cdula de latubera a fin de actualizar los valores de velocidades.
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Fig. 15.- Tabla de velocidades de flujo recomendadas.
El usuario puede hacer uso de esta tabla a fin de corroborar que sobre-disee una tubera con
respecto al flujo volumtrico que desee manejar o en su caso contrario, que no maneje un
dimetro de tubera pequeo el cual genere altas velocidades que provoquen un rpido
desgaste de la tubera o que genere altas cadas de presin.
Pantalla de Referencia de Ecuaciones
La pantalla de Referencia de ecuaciones proporciona en su inicio una lista de links que re-dirigen
a los temas descritos al ser seleccionados (Figura 16). Cada tema da descripcin detallada de
las ecuaciones empleadas por el programa, parmetros empleados y referencias bibliogrficas
donde pueden ser consultadas las ecuaciones y parmetros; adems de incluir grficas (figura
17) de las cuales el programa hace uso para la toma de valores requeridos ( el programa hace
uso de interpolacin doble para la obtencin de los valores de grfica).
Fig. 16.- Links de referencia de ecuaciones. Fig. 17.- Imgenes con zoom de vista requerido.
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Toda la informacin proporcionada de ecuaciones, parmetros y referencias bibliogrficas, ha
sido tomada de libros, manuales y estndares reconocidos; siendo de amplio uso en la
industria qumica y petroqumica. Adems, se ha hecho uso de las versiones ms actuales de
las referencias bibliogrficas contenidas.
Pantalla de base de datos
La pantalla de base de datos es complemento de la pantalla de referencia de ecuaciones (figura
18); la cual provee al usuario de todos los parmetros y valores requeridos por las ecuaciones
empleadas en el programa para el clculo de propiedades termodinmicas y el diseo de
equipos.
Fig. 18.- Pantalla de Base de datos.
En la parte inferior de cada una de las tablas que conforman la base de datos, se encuentra la
referencia bibliogrfica de donde se obtuvieron los parmetros; pudiendo el usuario hacer uso
de estos parmetros y las ecuaciones proporcionadas en la pantalla de referencia de ecuaciones
para llevar a cabo la comprobacin manual de los clculos o resultados generados por el
programa.
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Ejercicio 1
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-14 de Crane (Flow of fluids through valve, fittings and
pipe) 2010; el cual solicita sea encontrada la velocidad de flujo en la tubera de 4 y 5 y la
presin diferencial resultante o cada de presin en la tubera del sistema que se muestra en la
figura 19.
Fig. 19.- Sistema tubera para transporte de agua.
El primer paso es introducir la informacin proporcionada en el ejemplo hacia la pantalla de
introduccin de datos como se muestra en la figura 20.
Fig. 20.- Introduccin de Datos de corriente de entrada y diseo de tubera.
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Fig. 23.- Pantalla de resultados de secciones.
En la parte inferior derecha se muestra el total de cada de presin del sistema de tubera; el
cual result en una cada de presin de 39. 23 lb/plg 2.
De los resultados de velocidad y cada de presin obtenidos se puede observar que la velocidad
en la tubera de 4 est ligeramente por encima de su velocidad recomendada; mas es
totalmente aceptable, mientras que la velocidad en la tubera de 6 se encuentra en el rango
recomendado de velocidades.
Con respecto a la cada de presin, se obtiene el valor de presin de salida de la tubera de 25.7
lb/plg2; el cual se encuentra muy por encima de la presin de vapor del lquido de 0.26 lb/plg 2
tenindose la capacidad de poder extender an ms la longitud o elevacin de la tubera sin
causar flasheo del lquido.
Ejercicio 2
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-6 de Crane (Flow of fluids through valve, fittings and
pipe) 2010; el cual solicita sea encontrada la velocidad de flujo en la tubera y el flujo volumtrico
de descarga en gal/min de la figura 24.
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Fig. 24.- Sistema de desfogue de agua a la atmsfera.
Al introducir los datos, se nos solicitar el flujo volumtrico; mas dado que no contamos con l,
es necesario llevar a cabo un proceso iterativo de suposicin del flujo volumtrico hasta que la
cada de presin total (Ptotal) obtenida de la simulacin, se iguale al diferencial de presin
mostrado en el ejercicio en cuestin. En este ejercicio, el diferencial de presin es igual a: P iniciaPsalida= 14.7 lb/plg214.7 lb/plg2= 0 lb/plg2; a lo cual estimaremos el flujo de entrada hasta
que la cada de presin total sea igual o se aproxime a 0 lb/plg 2.
Al observar la figura 25, se puede apreciar que el nivel del lquido en el tanque atmosfrico
posee una elevacin de 22 pies con respecto a la tubera; por lo cual es necesario incluir esta
elevacin en el programa dado a la presin generada por el lquido a la entrada de la tubera;
pudindose incluir esta elevacin como si perteneciese a la tubera.
Fig. 25.- Introduccin de Datos de corriente de entrada y diseo de tubera.
A continuacin se introducen los accesorios como se muestra en la figura 26; debindose en e
caso de la vlvula de bola calcular previamente el valor de ; el cual es la razn del dimetro del
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orificio de la vlvula con respecto al dimetro interno de la tubera, por lo tanto =
2.375/3.068 = 0.77. En la lista desplegable de razn seleccionamos el valor que se
encuentre ms cercano al valor de beta obtenido e introducimos los datos restantes.
Fig. 26.- Especificacin de vlvulas y accesorios.
Una vez ingresada toda la informacin requerida, se puede proceder a simular el escenario
obteniendo los resultados de corrientes de la figura 27, donde se puede leer un valor de 8.33
pies/s como velocidad de flujo.
Fig. 27.- Pantalla de resultados de corrientes
Posteriormente deberemos corroborar que la cada de presin total obtenida sea igual o
aproximadamente a 0 lb/plg2con respecto a el flujo de entrada supuesto.
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Fig. 28.- Pantalla de resultados de corrientes
Como se puede apreciar en la figura 28, el valor de cada de presin total (Ptotal) de 0.01 lb/plg2
es muy cercano a 0; por lo cual el valor supuesto de 192 gal/min es correcto. En caso de que la
cada de presin total estuviese an fuera de un valor aceptable, ser necesario volver a suponer
un nuevo valor de flujo volumtrico de entrada y simular hasta que la cada de presin se iguale
a 0.
Ejercicio 3
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-10 de Crane (Flow of fluids through valve, fittings and
pipe) 2010; el cual solicita sea encontrada la cada de presin en el sistema de la figura 29.
Fig. 29.- Sistema de transporte de vapor a alta presin.
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Dado que se requiere incluir el efecto de cada de presin por vlvulas y accesorios en el
transporte de un gas, es necesario tener seleccionada la ecuacin de Darcy-Weisbach en el rea
de especificacin de tubera. Al observar el rea de propiedades calculadas en la figura 30, se
puede notar que el valor de presin de vapor no es proporcionado, debindose a que la
temperatura introducida del vapor sobrepasa la temperatura crtica a la cual puede ser
calculada la presin de vapor.
Fig. 30.- Introduccin de Datos de corriente de entrada y diseo de tubera.
Al especificar la vlvula de compuerta de 6 x 4(figura 31), debe calcularse el valor de , el cua
dado a que el dimetro interior de la tubera es de 5.761 (este valor puede ser consultado en la
Tabla dimensiones de tubera de acero en la Base de datos del programa para una tubera de
Ac. Carbn, D.N. 6, Cd. 80), = 4 / 5.761 = 0.69 0.7.
Fig. 31.- Especificacin de vlvulas y accesorios.
Una vez introducidos los datos, el escenario es simulado, obtenindose una cada de presin
total de 43 lb/plg2(figura 32).
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Fig. 32.- Pantalla de resultados de corrientes
Ejercicio 4
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-9 de Crane (Flow of fluids through valve, fittings and
pipe) 2010; el cual solicita sea encontrada la velocidad de flujo en pies/s y la cada de presin en
el sistema de la figura 33.
Fig. 33.- Sistema de transporte de aceite (crudo).
Dado que el fluido proporcionado no se encuentra disponible en el programa, es necesario
obtener su valor de densidad y viscosidad mediante el uso de tablas o datos empricos que se
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posean. El valor de gravedad especfica (g.e.) para un crudo de 33 API es de 0.875, por lo cua
la densidad es igual a crudo= wx g.e. = 62.36 lb/pie3x 0.875 = 54.57 lb/pie3; mientras que su
viscosidad es de 470 Cp.
Para la introduccin de los datos, es necesario activar el rea Propiedades Calculadas,
seleccionar el estado del fluido como lquido e introducir los datos correspondientes.
Fig. 34.- Manejo del rea Propiedades Calculadas.
Dado que toda la tubera es de 5 de dimetro, se decidi por simplicidad manejarlo como una
sola seccin como muestra la figura 34.
Posteriormente se introdujeron las vlvulas y accesorios (figura 35) y se simul el escenario.
Fig. 35.- Especificacin de vlvulas y accesorios.
La velocidad de flujo obtenida es de 9.62 pies/s (figura 36). En esta misma figura podemos
observar que el valor de Reynolds es de 699 (flujo laminar); por lo cual la seleccin del mtodo
Crane para el clculo de cada de presin por vlvulas y accesorios no es apropiado dado que el
mtodo Crane supone la existencia de flujo turbulento.
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Fig. 36.- Resultados de corrientes.
El valor de cada de presin manejando el mtodo Crane fue de 55.99 lb/plg 2, de los cuales 1.5
lb/plg2pertenecen a la cada de presin por accesorios (figura 37).
Fig. 37.- Resultados de cada de presin usando mtodo Crane.
En el caso de haberse seleccionado un mtodo ms riguroso y apropiado para el clculo de cada
de presin por accesorios cuando se tiene flujo laminar (flujos muy bajos o viscosidades muy
altas) tal como el mtodo 3-K, se hubiesen obtenido los resultados de la figura 38.
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Fig. 38.- Resultados de cada de presin usando mtodo 3-K.
El valor de cada de presin por accesorios al manejar el mtodo 3-K es de 3.18 lb/plg2; por lo
cual se puede observar que el anterior valor de 1.5 lb/plg 2obtenido haciendo uso del mtodo
Crane estaba por debajo del 50% del valor de real de cada de presin generado.
Aparentemente la diferencia de cada de presin entre un mtodo y otro es despreciable, ms
en un sistema de transporte de tubera, suele existir gran cantidad de accesorios ( codos, tees,
reducciones) y vlvulas de diferentes tipos instalados en la misma, con lo cual la seleccin entre
un mtodo y otro generara valores de cada de presin muy diferentes.
Ejercicio 5
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-30 en conjunto con el 7-31 de Crane (Flow of fluids
through valve, fittings and pipe) 2010; el cual solicita sea encontrado el dimetro interior del
medidor de flujo que genere una lectura de diferencial de altura de lquido en el indicador de 4
pies (figura 39) y la cada de presin total generada por el medidor.
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Fig. 39.- Diseo de medidor de flujo tipo tobera.
Dado que lo que se busca encontrar es el dimetro interior del medidor de flujo, resulta muy
conveniente dirigirse primeramente a la ventana de anlisis y diseo de medidores de flujo para
poder llevar a cabo el clculo; la cual es mostrada al dar click en el botn Medidores que seencuentra al final de la ventana principal de Introduccin de datos del programa.
Fig. 40.- Introduccin de datos.
Una vez en esta ventana, es necesario seleccionar la variable a calcular dimetro del orificio
dado que es lo que estamos buscando. A continuacin se procede a introducir los datos de
entrada, datos de tubera y de lectura del medidor; con respecto al rea de lectura del medidor,
dado que tenemos una lectura en diferencial de altura de 4 pies, es necesario activar el botn
de opcin que se encuentra a la derecha del recuadro de introduccin de Zaltura como muestra
la figura 40.
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Una vez introducidos los datos, se selecciona el botn simular a fin de poder apreciar los
resultados obtenidos como muestra la figura 41.
Fig. 41.- Visualizacin de resultados
Una vez simulado el escenario, son mostrados en azul algunos resultados importantes como el
dimetro interno del medidor (D.O.) de 2.41, la cada de presin medida (Pmedida) o registrada
de 1.725 lb/plg2y la cada de presin total (Pfinal) generada por el medidor de 1.23 lb/plg2.
De igual manera si se desea se pude desplazar la pantalla a su seccin inferior a fin de apreciar
resultados ms detallados sobre los clculos llevados a cabo (figura 42).
Fig. 42.- Visualizacin de resultados a detalle.
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Una vez obtenido el dimetro interior del medidor de tobera, se estara en la posibilidad de
poder llevar a cabo la comprobacin del clculo de cada de presin total si se hubiese hecho
uso de la pantalla principal de introduccin de datos
Fig. 43.- Introduccin de datos
En la figura 43, se puede apreciar que es necesario tener desactivadas todas las casillas de
secciones, mientras que solo el valor de dimetro nominal y cdula es requerido a ser
introducido. Posteriormente se especifica el medidor de flujo de tobera, ingresando el valor de
dimetro de orificio de 2.4 obtenido con anterioridad (figura 44).
Fig. 44.- Especificacin del medidor de flujo.
Una vez introducidos los datos, se procede a simular el escenario y obtener los resultados
mostrados en la figura 45, donde se puede apreciar que el valor de cada de presin total de
1.239 lb/plg2 es idntico al obtenido haciendo uso de la pantalla de diseo y anlisis de
medidores de flujo.
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Fig. 45.- Especificacin del medidor de flujo.
Esta ltima forma de analizar la cada de presin generada por vlvulas, medidores y
accesorios es til cuando lo nico que interesa al Usuario es el efecto de cada de presin por
algn o varios accesorios en especfico sin importar la tubera en la cual estn instalados.
Ejercicio 6
Este ejercicio fue tomado del ejemplo 7-27 en conjunto con el ejemplo 7-28 de Crane (Flow of
fluids through valve, fittings and pipe) 2010; el cual solicita sea verificado si una vlvula de 3
con un CVde 114 a apertura total (100%) es apropiado para regular la presin de flujo de la
tubera de 80.6 lb/plg2 a 70.8 lb/plg2., en caso de serlo, calcular la apertura requerida de la
vlvula y comprobar que no se presente flasheo de lquido en el interior de la vlvula a la
apertura de vlvula calculada (figura 46).
Fig. 46.- Sistema de regulacin de presin con vlvula de control.
Para llevar a cabo esta verificacin, es necesario dirigirse a la pantalla de anlisis y diseo de
vlvulas de control a la cual se accede presionando el botn Vlvulas que se encuentra al
final de la pantalla principal de Introduccin de datos.
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En la pantalla de anlisis y diseo de vlvulas, se procede primero a seleccionar el modo de
operacin requerido; el cual se procedi en primera instancia a seleccionar como regulacin
de presina fin de poder corroborar que la vlvula a ingresar con apertura al 100% es capaz
de proporcionar la cada de presin requerida (figura 47) .
Fig. 47.- Introduccin de datos para la vlvula de control.
Dado que solo se cuenta con la informacin de C Val 100% de apertura para una vlvula de
globo, es sugerido hacer uso de la modalidad estimacin de datos para estimar los valores
que se utilizarn para el diseo de la vlvula, y tomando en cuenta que dentro de la
informacin solicitada se encuentra el tipo de curva caracterstica, la cual no fue
proporcionada en el ejemplo, por conveniencia se supuso como lineal.
Al introducir todos los datos se procedi a simular el escenario obtenindose una presin de
salida de 75.65 lb/plg
2
a 100% de apertura (figura 48), lo cual indica que un % de aperturamenor de la vlvula generar la presin requerida de 70.8 lb/plg 2; por lo tanto la vlvula
propuesta es apropiada para la necesidad requerida de regulacin de presin.
Para obtener la posicin de apertura que produzca la presin de salida de 70.8 lb/plg 2se
requerira llevar a cabo un proceso de suposicin del % de apertura y simulacin de
escenario hasta hallar convergencia; ms por fines prcticos se decidi hacer uso del modo
de operacin apertura manual para obtener directamente el valor de apertura manua
figura 48).
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Fig. 48.- Clculo del % de apertura de la vlvula.
Una vez simulado el escenario haciendo uso del modo de operacin apertura manual, se
obtuvo una apertura de 70.56% y una cada de presin mxima (Pmx) de 63.89 lb/plg2, la cua
est muy por encima del valor generado por la vlvula de 9.8 lb/plg 2; por lo cual la vlvula es
operada a condiciones de operacin que aseguran que no haya presencia de flasheo en la
vlvula (figura 49).
Fig. 49.- Introduccin de datos de vlvula de control.
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Ejercicio 7
Dado el clculo preliminar de una vlvula de globo de 3 para el control de presin del sistema
mostrado en el ejercicio 6 de este tutorial, se requiere proponer un modelo de vlvula de la
marca Emerson que cumpla con el control de presin deseado y calcular el % de apertura a la
cual debe ser operada una vez que sea instalada.
Para llevar a cabo la seleccin de algn modelo de vlvula es necesario seleccionar la modalidadseleccin de datos y posteriormente seleccionar el botn >> (figura 50).
Fig. 50.- Manejo de modalidad seleccin de datos.
Una vez en la pantalla de modelos de vlvulas disponibles, se debe seleccionar el dimetro
nominal del cual se deseen los modelos propuestos; en este caso seleccionamos un dimetro
de 3 y se procedi a seleccionar un modelo de vlvula tipo globo que tuviera apertura linea
como muestra la figura 51, una vez seleccionado el modelo ED que se ajust a los
requerimientos, se seleccion el botn Aplicar.
Fig. 51.- Seleccin de vlvula de globo con apertura lineal modelo ED.
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Al tener disponibles los valores en la tabla de datos tabulados, se simul el escenario
obtenindose una apertura requerida de 45.55% (figura 52).
Fig. 52.- Simulacin de modelo de vlvula de globo ED de 3.
La seleccin de este modelo de vlvula con un Cv mximo de 148 fue apropiado dado que
proporciona un margen de sobre-diseo o seguridad para un posible aumento futuro del
flujo volumtrico manejado.
En la figura 53 se muestra la grfica generada de % de apertura cada de presin, la cual
puede ser consultada para cualquier cambio de cada de presin que se desee.
Fig. 53.- Grfica de % de apertura - cada de presin
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Comentarios
El mdulo Flujo de fluidos en tubera, vlvulas y accesoriosprovee la capacidad de determinar
la velocidad de flujo y cada de presin para cualquier sistema de tuberas en serie, determinar
el flujo o dimetro nominal apropiado para cualquier sistema y disear medidores de flujo y
vlvulas de control.
La capacidad y versatilidad proporcionada por el programa permite a estudiantes, catedrticos
e ingenieros el fcil clculo o diseo de cualquier sistema que involucre el flujo de lquidos o
gases por tubera.
El desarrollo del programa fue llevado a cabo tomando como referencia de comprobacin de
clculos y resultados el Manual TP-410 de Crane y el software Flow of Fluids proporcionado
por Crane Co.