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Descarga Atmosferica
Hola @luis-ramos
Tengo una consulta. ¿Cuales son las diferencias en las suposiciones de diseño cuando se dimensiona un sistema de tuberia forzada con una turbina que aproveche la energia potencial vs un sistema que no tiene turbina alguna y que descarga hacia la atmosfera?
Por ejemplo en la segunda imagen que adjunto se considera una presion en la salida de la tuberia de 0 psig, pero hay energia potencial que se puede aprovechar. ¿Esta bien la solucion del segundo problema presentado? O el fluido en la descarga (hacia la atmosfera) deberia tener presion (debido a que gana energia con la bajada de la tuberia).
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5 Respuestas
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Buenos días @frankastulle ,
Permíteme ayudarte con esta cuestión.
Antes que nada, comentarte que tratamos un problema muy similar en la última lección del máster, en el módulo de estudio de transitorios (imagen). Si quieres saltar directamente a esta lección, tendrías que comenzar el estudio de transitorios con hammer, y luego continuar con el estudio de estrés de tuberías.
El avance es libre, pero es aconsejable cursar los módulos completos para comprender bien lo que se esconde detrás de problemas complejos como este de la turbina. Eso ya lo dejo a tu elección.
Al dimensionar un sistema de tubería forzada con una turbina para aprovechar la energía potencial, en comparación con un sistema que simplemente descarga hacia la atmósfera sin turbina, hay diferencias clave en las suposiciones y consideraciones de diseño:
Sistema con Turbina:
- Eficiencia de la Turbina: Se debe tener en cuenta la eficiencia de la turbina al convertir la energía potencial del agua en energía mecánica.
- Pérdidas de Carga: Las pérdidas de carga en la tubería influirán directamente en la cantidad de energía disponible para la turbina.
- Presión de Salida: La presión en la salida de la turbina es un factor crítico, ya que afecta la eficiencia y operación de la turbina.
- Velocidad del Agua: Se busca una velocidad óptima que maximice la generación de energía mientras minimiza las pérdidas por fricción y erosión de la tubería.
- Golpe de Ariete: El fenómeno de golpe de ariete debe ser cuidadosamente considerado, ya que las paradas y arranques de la turbina pueden provocar fluctuaciones de presión peligrosas.
Sistema sin Turbina (Descarga a la Atmósfera):
- Presión de Salida: La presión en la salida de la tubería generalmente se considera 0 psig (presión atmosférica), a menos que haya una restricción específica en la salida.
- Velocidad de Salida: La velocidad del fluido en la salida será alta si la tubería tiene una pendiente considerable, debido a la ganancia de energía cinética.
- Pérdidas de Carga: Si bien siguen siendo importantes, el enfoque está más en evitar velocidades excesivas que podrían causar erosión o daño a la tubería.
- Golpe de Ariete: Aunque sigue siendo una consideración, puede ser menos crítico que en sistemas con turbinas, dependiendo de la naturaleza de la operación del sistema.
- Ventilación: Debe asegurarse una adecuada ventilación en la salida y en el comienzo de la forzada para evitar la formación de vacío y posibles daños estructurales.
El último punto siempre se pasa por alto. Estuve operando en una desaladora donde la tubería forzada tenía una gran pendiente y un gran diámetro. Lo que sucedió fué que abrieron la salida de forma súbita y en la parte alta de la forzada se formó vacío que acabó rompiendo la tubería, así que cuidado con estas instalaciones.
En cuanto a la pregunta específica sobre la solución del segundo problema que mencionas (descarga hacia la atmósfera), si se considera una presión de salida de 0 psig, sería correcto para una descarga abierta a la atmósfera. La energía potencial se convierte en energía cinética (velocidad del fluido), y no necesariamente en presión en la salida.
Muy interesante estas cuestiones Frank, quedamos en contacto para más,
Saludos,
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Gracias @ramonformacionindustrial @luis-ramos
Me gustaria estudiar este tema a detalle. Por ejemplo adjunto 2 fotografias con descarga hacia la atmosfera.
1.- ¿Entonces en ambos casos se considera una presion estatica justo en la salida del tubo de 0 psig?. Sin embargo un flujo parece ser mas turbulento que otro, esto quiere decir que tiene mas velocidad. (en base a Reynolds).
2.- Si se coloca una valvula de control de flujo en el tramo de descarga, se ocasionaria una perdida de presion estatica. ¿Esto afectaria la velocidad de descarga?, Asumamos que el diametro de tuberias se mantiene constante, solo existira una restriccion de flujo ocasionada por la valvula.
3.- En la descarga con “flujo laminar” la tuberia de descarga no parece estar completamente llena (es decir la descarga es parcialmente llena). Cuando realizamos un calculo hidraulico asumimos la tuberia completamente llena de fluido, pero esto no parece suceder en la descarga. Es decir hay aire inclusive antes de la descarga de la tuberia, por lo cual ¿la presion estatica de 0 psig puede considerarse inclusive dentro de la tuberia (metros antes de la descarga)?
4.- ¿Es aceptable considerar como dato de entrada de un sistema de descarga el caudal que debe manejar la linea de tuberia? Teniendo tambien como datos la diferencia de cotas entre la descarga y el reservorio de suministro, y el diametro de la tuberia. Ademas se asumiria que en la superficie del reservorio (abierto a la atmosfera) y en la descarga de la tuberia hay una presion de 0 psig. ¿En este caso que variable se despejaria con Bernoulli? ¿La presion estatica en descarga podria ser una opcion?
PSDT. Ramon te envie una solicitud de contacto a tu perfil, para que me puedas agregar
Saludos
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Buenas de nuevo @frankastulle , solicitud de contacto aceptada 👍🏽
Vamos a usar como ejemplos las fotos que has adjuntado: una descarga a la atmósfera con flujo laminar parcialmente lleno y otra con flujo turbulento. Intentaré dividir tus cuestiones en apartados para que sea más claro.
1. Presión Estática en la Salida de la Tubería
- Presión Estática: En ambos casos (laminar y turbulento), si la descarga es hacia la atmósfera, la presión estática justo en la salida será igual a la presión atmosférica (0 psig, 1 atm).
- Influencia del Tipo de Flujo: Aunque el régimen de flujo (laminar o turbulento) influye en la velocidad del fluido y en las características del flujo, no altera la presión estática en la salida si esta es libre a la atmósfera. El régimen de flujo sí influirá en las pérdidas por fricción dentro de la tubería, pero no a esta presión final.
2. Efecto de una Válvula de Control de Flujo
- Pérdida de Presión Estática: La instalación de una válvula de control en el tramo de descarga ocasionará una pérdida de presión debido a la restricción del flujo. Aumentamos la pérdida de carga y por consiguiente, reducimos la presión aguas abajo de la válvula. Permaneciendo en 0psig cuando descarguemos a la atmósfera.
- Velocidad de Descarga: Esta pérdida de presión puede afectar la velocidad de descarga. Por la ecuación de Bernoulli, junto con las pérdidas por fricción y localizadas, podríamos determinar la relación entre la presión y la reducción de velocidad para este caso concreto en un punto determinado.
3. Descarga con Flujo Laminar y Tubo Parcialmente Lleno
- Presión Estática: La presencia de aire en la tubería antes de la descarga afectará a la presión estática antes de la descarga, pero la presión no necesariamente será 0 psig metros antes de la descarga, la suposición de Pa=0psig / 1atm es un valor matemático establecido únicamente en la salida al exterior.
En estos casos, el análisis hidráulico es diferente ya que debes considerar el hecho de que la tubería no está completamente llena, lo que implica que usaríamos ecuaciones específicas para flujo en canales abiertos o parcialmente llenos.
4. Datos de Entrada para un Sistema de Descarga
- Datos de Entrada: Es común iniciar el diseño con el caudal requerido, la diferencia de cotas entre la fuente y la descarga, y el diámetro de la tubería. De hecho son los datos de partida en softwares como Pipeflow.
- Presión en Reservorio y Descarga: Si ambos puntos están abiertos a la atmósfera, se asume una presión de 0 psig en su superficie.
- Uso de Bernoulli: Usaríamos la ecuación de Bernoulli para despejar variables que desconozcamos en el sistema, como la velocidad del fluido en diferentes puntos del sistema, considerando la conservación de energía.
- Presión Estática en Descarga: La presión estática en la descarga sería una variable a considerar si hay elementos que crean una restricción o un cambio en la presión, como válvulas o cambios en la sección transversal, pero ten en cuenta que estaríamos calculando la presión en el punto de la restricción, la descarga atmosférica seguiría siendo de 0psig.
Es un tema complejo para condensarlo en un post, pero espero haberte aclarado las cuestiones.😁 Ten claro, sobre todo, que descarga a la atmósfera siempre será 0 psig (o 1 atm).
Quedamos en contacto Frank,
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Gracias @ramonformacionindustrial
Tocando el tema de flujo parcialmente lleno y completamente lleno.
1.- ¿Como se puede predecir cuando un flujo estara parcialmente lleno? Por ejemplo para un caudal especifico debe existir un diametro maximo hasta el cual se obtenga un flujo completamente lleno, si sobredimensionamos el diametro de la tuberia funcionaria como parcialmente lleno. ¿Esto lo verifica algun software?
2.- Como predecir cuando se tendra una descarga parcial (Adjunto imagen). ¿Esto generara algun problema en el fluido, tuberias o soportes?
3.- En una tuberia con una configuracion smilar a una Z es posible la formacion de bolsas de aire (para lo cual se deben colocar valvulas de aire). En este tramo que existe aire hay una presion manometrica negativa, sin embargo ¿esto se podria tolerar si es que no llega a cavitar? ¿Aunque sean diametros de tuberias pequeños de 1 o 2″ seria necesaria la instalacion de valvulas de aire?. ¿Como se analiza este sector de tuberia bifasico en pipeflow u otro software? ¿Este tramo de tuberia no seria como un canal abierto debido a que el aire atrapado esta presurizado, cierto? ¿Cuando se podria tolerar no instalar una valvula de aire?
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Buenos días @frankastulle ,
HAMMER verifica estos aspectos para saber cuándo se formarán bolsas de aire en nuestro sistema. También vemos aspectos como la HGL o las presiones negativas que no dan lugar a cavitación.
Para que tengas una idea te cuánto se acerca este módulo al estudio de tu problema te adjunto una captura de una de las lecciones.
Puedes saltar directamente a este módulo para comprobar cuándo colocar válvulas de aire o analizar si en una línea tendrás vacío o cámaras de aire (y como evitarlas o mitigarlas). HAMMER seguro que puede ayudarte en la resolución.
PD: No importa el tamaño de las tuberías, las bolsas de aire deben ser liberadas con ventosas (válvulas de aire) para evitar atrapamiento de aire y transitorios indeseados.
Nos vemos en el módulo de transitorios, Saludos!
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