marco teorico - Biblioteca UNET

CAPITULO II
“MARCO TEORICO”
8
UNET
2.1
Capítulo II Marco Teórico.
Definición de fluido.
Se define como un cuerpo cuyas moléculas cambian con facilidad su posición
relativa. Es toda sustancia que por falta de cohesión en sus moléculas, no tiene forma
propia y por lo tanto adopta la forma del recipiente que lo contiene. Ejemplo: gases y
líquidos.
2.2 Definición de presión.
Se define como fuerza por unidad de superficie, donde la fuerza en cuestión es
perpendicular a dicha superficie:
P=
Dónde:
F
A
(1)
P: Presión.
F: Fuerza.
A: Área
La presión, en un fluido en reposo y en un punto dado, es la misma en todas
direcciones.
9
UNET
Sistema
Capítulo II Marco Teórico.
Tabla 2.1 Unidades de presión.
Fuente: http.ing.uc.edu.ve_aulavirtual_file.php.file=55_Neumatica1.pdf
http//.ing.uc.edu.ve_aulavirtual_file.php.file=55_Neumatica1.pdf
Unidades
N
Internacional
cm 2
m2
= Pa
(Pascal)
(Kilogramo – Fuerza por centímetro cuadrado)
kgf
lbf
Inglés
(Newton por metro cuadrado) Donde
N
kgf
Técnico
m2
pu lg 2
cm 2
= Bar
(Libra fuerza por pulgada cuadrada)
lbf
pu lg 2
= psi
2.3 Presión absoluta y relativa.
Además de las unidades en que se expresa la presión, otro aspecto importante
es el conocimiento de las distintas definiciones de presión, como son: presión
absoluta, presión relativa, presión atmosférica y presión de vacío.
Cuando la presión se mide desde el vacio absoluto (zona de presión donde no
existe interacción molecular) se le denomina presión absoluta. Cuando la presión se
mide partiendo de la presión atmosférica, se le denomina presión relativa. La mayor
parte de los manómetros y vacuómetros leen la diferencia entre la presión absoluta y
la atmosférica, es decir miden la presión relativa. La figura 2.1 muestra las
definiciones usadas en la medición de presión.
10
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.1 Ilustración de términos usados en la medición de presión.
Fuente: http.ing.uc.edu.ve_aulavirtual_file.php.file=55_Neumatica1.pdf
2.4 Definición de caudal.
Es una medida de la cantidad de fluido que circula por una sección transversal
de la tubería por unidad de tiempo.
Q=
V
t
Q: caudal.
Donde:
V: volumen.
t: tiempo.
Su unidad está definida de acuerdo a lo siguiente:
Sistema Internacional:
l
min
o
Sistema Inglés:
ft 3
min
o
m3
m3
o
min
hr
Gl
min
(2)
11
UNET
Conversión
Capítulo II Marco Teórico.
l
m3
ft 3
Gl (USA)
= 2.11888
= 15.8503
1 = 60 *10 −3
min
min
min
s
2.5 Definición de gases.
Se definen como un fluido sin forma ni volumen propio, cuyas moléculas
tienden a separarse una de otra, a diferencia de los fluidos líquidos, los gases ocupan
todo el volumen del recipiente que los contiene y son compresibles.
2.6 Clasificación de los gases.
Los gases se pueden clasificar según su naturaleza y obtención.
Según su naturaleza:
•
Inertes (nitrógeno, argón, helio, dióxido de carbono).
•
Oxidantes (oxígeno, óxido nitroso, ozono).
•
Inflamables (acetileno, hidrógeno, metano, propano, etileno).
Según su obtención:
•
Derivados del petróleo (metano, propano, butano).
•
Derivados del aire (oxígeno, nitrógeno, argón).
•
Producto de electrólisis (hidrógeno, cloro).
•
Producto de reacciones químicas (dióxido de carbono, acetileno, amoníaco).
•
Producto de la descomposición (óxido nitroso).
De acuerdo al grado de confinamiento, es decir a la presión a la cual están
sometidos, los gases se clasifican en ideales y reales. Los primeros están sometidos a
12
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
bajas presiones (una masa de gas relativamente pequeña ocupando un gran volumen);
mientras que los reales son aquellos sometidos a altas presiones.
2.7 Leyes de los gases.
Tal como se definió anteriormente, los gases, a diferencia de los fluidos
líquidos, tienen la particularidad de poder ser compresibles y tienen la tendencia a
dilatarse (expandirse). Las leyes que rigen este comportamiento de los gases son:
Ley de los gases ideales: Esta ley permite relacionar la presión, volumen,
temperatura y una masa m de un gas, a través de la siguiente ecuación:
pV = n RT =
m
RT = mR"T
M
(3)
Donde p: presión Absoluta.
V: volumen que ocupa el Gas.
M: masa del Gas
M: peso Molecular del Gas.
R : constante Universal de los Gases.
R”: constante de Cada Gas (R/M).
n: numero de Moles del Gas.
T: temperatura Absoluta en Grados Kelvin.
Ley de Boyle – Mariotte: A temperatura constante, el volumen de un gas
encerrado en un recipiente es inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea,
el producto de la presión absoluta y el volumen es constante, a una determinada
temperatura.
(4)
13
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
p1V1 = p 2V2 = pV = Constante; (a Temperatura constante.)
Ley de Charles: Si la presión permanece constante y la temperatura varía, el
volumen que ocupa el gas variará. Si la temperatura aumenta, aumenta el volumen del
gas y viceversa. Es decir, el volumen del gas es directamente proporcional a la
temperatura, a presión constante.
V1 V2 V
=
= = Constante; (a presión constante.)
T1 T2 T
(5)
Para que la ecuación tenga validez, las temperaturas tienen que venir
expresadas en grados absolutos (ºK).
2.8 Flujo compresible y flujo incompresible.
Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se
denominan incompresibles; cuando las variaciones en densidad dentro de un flujo no
se pueden despreciar, se llaman compresibles. Si se consideran los dos estados de la
materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error
de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que
todos los flujos de gases son flujos compresibles. La primera parte de esta
generalización es correcta para la mayor parte de los casos prácticos, es decir, casi
todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos
de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son
pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido; la razón de la velocidad del
flujo, V, a la velocidad del sonido, c, en el medio fluido recibe el nombre de número
de Mach, M, es decir,
14
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
M =
V
C
(6)
Los cambios en densidad son solamente del orden del 2% de valor medio, para
valores de M < 0.3. Así, los gases que fluyen con M < 0.3 se pueden considerar como
incompresibles; un valor de M = 0.3 en el aire bajo condiciones normales corresponde
a una velocidad de aproximadamente 100 m/s.
2.9 Ecuación de continuidad.
El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema de
conductos cerrados, depende del principio de continuidad. Considérese el tubo de la
figura 2.2. Un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con una rapidez constante.
Esto es, la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado
es constante, En este caso se dice que se tiene un flujo constante. Ahora bien si no se
agrega fluido, se almacena o se retira entre la sección 1 y la sección 2, entonces la
masa de fluido que pasa por la sección 2 en un tiempo dado, debe ser la misma que la
que fluye por la sección 1, en el mismo tiempo. Lo anterior se puede expresar en
términos de rapidez de flujo de masa como:
m& 1 = m& 2
Puesto que m& = ρAv
ρ 1A1v1 = ρ 2 A2 v 2
Donde ρ: densidad
A: área de la sección transversal
ν: velocidad del fluido
(7)
15
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.2 Parte de un sistema de distribución de un fluido
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada.
La ecuación (4) es un planteamiento matemático del principio de continuidad
y se le conoce como ecuación de continuidad. Se utiliza para relacionar la densidad
del fluido, el área de flujo y la velocidad de flujo en dos secciones de un sistema en el
que existe flujo estable. Es válida para todos los fluidos, ya sean gases o líquidos.
Si el fluido que se encuentra en el tubo de la figura II.3 es un líquido que
puede ser considerado incompresible, entonces los términos ρ1 y ρ2 de la ecuación (4)
son iguales. La ecuación entonces queda:
A1v1 = A2 v 2
(8)
2.10 Ecuación de Bernoulli.
Cuando se analizan problemas de flujo en conductos, existen tres formas de
energía que siempre hay que tomar en consideración. Tome un elemento de fluido,
como el que se muestra en la figura II.4, que puede estar dentro de un conducto de un
sistema de flujo. Puede estar localizado a una cierta elevación z, tener una cierta
velocidad υ y una presión p. el elemento de fluido tendrá las siguientes formas de
energía:
16
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
1. Energía potencial: Debido a su elevación, la energía potencial del
elemento con respecto de algún nivel de referencia es:
PE = wz
(9)
2. Energía cinética: Debido a su velocidad, la energía cinética del elemento
es:
wv 2
KE =
2g
3.
(10)
Energía de flujo. En ocasiones conocida como energía de presión o
trabajo de fluido, ésta representa la cantidad de trabajo necesario para
mover el elemento de fluido a través de una cierta sección en contra de la
presión. La energía de flujo se abrevia FE (Flow Energy) y se calcula a
partir de la ecuación:
FE =
wp
γ
(11)
17
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.3 Elemento de fluido en un conducto.
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
La cantidad total de energía de estas tres formas que posee el elemento de
fluido será la suma, representada con E:
E = FE + PE + KE
(12)
wv 2
2g
(13)
E=
wp
γ
+ wz +
Cada uno de estos términos se expresa en unidades de energía, newton –
metro (N.m) en el Sistema Internacional o en pies – libra (pie/lb) en el Sistema
Británico de Unidades.
Su puede considerar ahora el elemento de fluido de la figura II.5 que se mueve
de la sección 1 a la sección 2. Los valores de ρ, υ y p son diferentes en las dos
secciones.
En la sección 1, la energía total es:
En la sección 1, la energía se define como:
18
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
E1 =
wp1
γ
+ wz1 +
wv1
;
2g
(14)
En la sección 2, la energía total es:
E2 =
wp 2
γ
+ wz 2 +
wv 2
2g
(15)
Figura 2.4 Elementos de fluidos utilizados en la ecuación de Bernoulli.
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
Si no se agrega energía al fluido o se pierde entre las secciones 1 y 2, entonces
el principio de conservación de energía requiere que:
E1 = E 2
wp1
2
wv
wp 2
wv
+ wz1 + 1 =
+ wz 2 + 2
γ
2g
γ
2g
2
(16)
El peso del elemento, w, es común a todos los términos y se le puede cancelar.
La ecuación, entonces, se convierte en:
19
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
p1
γ
2
+ z1 +
2
v1
p
v
= 2 + z2 + 2
2g
γ
2g
(17)
A ésta se le conoce como la ecuación de Bernoulli.
2.11 Flujo laminar y flujo turbulento.
Cuando se analiza un fluido en una corriente de flujo, es importante ser capaz
de determinar el carácter del flujo. En algunas condiciones, el fluido parecerá que
fluye en capas, de una manera uniforme y regular. Se puede observar este fenómeno
cuando se abre un grifo de agua lentamente, hasta que el chorro es uniforme y estable.
A este tipo de flujo se le conoce como flujo laminar. Si se abre más el grifo,
permitiendo que aumente la velocidad del flujo, se alcanzaría un punto en el que el
flujo ya no es uniforme ni regular. El agua del chorro parecerá que se mueve de una
manera bastante caótica. Al flujo, entonces, se le conoce como flujo turbulento.
2.12 Número de Reynolds.
El comportamiento de un fluido, particularmente con respecto a las pérdidas
de energía, depende bastante de si el flujo es laminar o turbulento, por esta razón se
necesita tener medios para predecir el tipo de flujo sin necesidad de observarlo. En
efecto, la observación directa es imposible para fluidos que se encuentran en
conductos opacos. Se puede mostrar experimentalmente y verificar analíticamente
que el carácter del flujo en un conducto redondo, depende de cuatro variables: la
densidad del fluido, ρ, la viscosidad del fluido, μ, el diámetro del conducto, D, y la
velocidad promedio de flujo, υ. Osborne Reynolds fue el primero en demostrar que
un flujo laminar o turbulento puede ser predicho si se conoce la magnitud de un
número adimensional, conocido ahora como número de Reynolds (NR).
20
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
NR =
vDρ
μ
=
vD
ν
(18)
Debido a que todas las unidades se pueden cancelar, NR es adimensional. Sin
embargo, es esencial que todos los términos de la ecuación estén en unidades
congruentes, con el fin de obtener el valor numérico correcto para NR. En unidades
del Sistema Británico, υ debe estar en pies por segundo, D en pies, ρ en slug/pies³, μ
en libras por segundo por pie cuadrado (lb . s/pies²).
Números de Reynolds críticos: para aplicaciones prácticas en flujos de
conductos, si el número de Reynolds para el flujo es menor que 2000 será laminar. A
su vez si el número de Reynolds es mayor que 4000, el flujo es turbulento. En el
intervalo de números de Reynolds comprendido entre 2000 y 4000 es imposible
predecir que tipo de flujo existe; por consiguiente, este intervalo se conoce como
región critica.
Si NR < 2000, flujo es laminar.
Si NR > 4000, flujo es turbulento.
2000 < NR > 4000, región critica.
2.13 Fricción en un fluido.
Un fluido en movimiento ofrece una resistencia de fricción al flujo. Parte de la
energía del sistema se convierte en energía térmica (calor), el cual se disipa a través
de las paredes del conducto en el que el fluido se desplaza. La magnitud de la pérdida
de energía depende de las propiedades del fluido:
21
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
™ Velocidad del flujo
™ Tamaño del conducto
™ Rugosidad de la pared del conducto
™ Longitud del tubo
En la ecuación general de la energía se tiene:
p1
2
2
v
p
v
+ z1 + 1 + h A − hR − hL = 2 + z 2 + 2
γ
2g
γ
2g
(19)
El término hL se define como la energía perdida por el sistema. Una
componente de la pérdida de energía se debe a la fricción en el fluido en movimiento.
La fricción es proporcional a la cabeza de velocidad del flujo y al cociente de la
longitud entre el diámetro de la corriente de flujo, para el caso de flujo en conductos y
tubos. Lo anterior se expresa de manera matemática en la ecuación de Darcy:
L v2
hl = f
D 2g
En la que:
(20)
hl : pérdida de energía debido a la fricción (N. m/N, m, lb-pie/lb, pie)
L : longitud de la corriente de flujo (m o pie)
D : diámetro del conducto (m o pie)
υ : velocidad de flujo promedio (m/s o pie/s)
f : factor de fricción (sin dimensiones)
La ecuación de Darcy se puede utilizar para calcular la pérdida de energía en
secciones largas y rectas de conductos redondos, tanto para flujo laminar como
22
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
turbulento. La diferencia entre los dos está en la evaluación de factor de fricción, f,
que carece de dimensiones.
2.14 Pérdida por fricción en flujo laminar.
Cuando se tiene un flujo laminar, el fluido parece desplazarse en forma de
varias capas, una sobre la otra. Debido a la viscosidad del fluido, se crea una tensión
de corte entre las capas del fluido. La energía se pierde del fluido mediante la acción
de vencer a las fuerzas de fricción producidas por la tensión de corte. Puesto que el
flujo laminar es tan regular y ordenado, se puede derivar una relación entre la pérdida
de energía y los parámetros medibles del sistema de flujo. Esta relación se conoce
como ecuación de Hagen – Poiseuille:
hl =
32μLv
γD 2
(21)
Los parámetros implicados son las propiedades del fluido correspondiente a
viscosidad y peso especifico, las características geométricas correspondientes a
longitud y diámetro del conducto, y la dinámica del flujo, caracterizada por la
velocidad promedio.
Relación entre la ecuación de Hagen – Poiseuille y la ecuación de Darcy:
Igualando las dos relaciones para hl, se despeja el valor del factor de fricción
f
f =
L v 2 32μLv
=
D 2g
γD 2
32μLv 2 Dg 64μg
* 2 =
vDγ
γD 2
Lv
(22)
(23)
23
UNET
Como ρ
Capítulo II Marco Teórico.
= γ/g, se obtiene que:
f =
64 μ
vDρ
(24)
El número de Reynolds se define como NR = υDρ/μ. Entonces se tiene:
f =
64
NR
(25)
2.15 Pérdidas de fricción en flujo turbulento.
Para el cálculo de las pérdidas de energía por fricción en flujo turbulento
resulta más conveniente utilizar la ecuación de Darcy, debido a que el flujo turbulento
no se conforma de movimientos regulares y predecibles. Es bastante caótico y está
cambiando constantemente. Por estas razones se debe confiar en los datos
experimentales para determinar el valor de f.
Las pruebas han demostrado que el número adimensional f depende de otros
dos números, también adimensionales, el número de Reynolds y la rugosidad relativa
del conducto. Esta última es el cociente del diámetro, D, del conducto entre la
rugosidad promedio, Є de la pared del conjunto. En la figura 2.5 se ilustra la
rugosidad de la pared del conducto (exagerada) como la altura de los picos irregulares
superficiales. La condición de la superficie del conducto depende bastante del
material con que está hecho el conducto y el método de fabricación. Para conductos
y tuberías disponibles comercialmente, el valor de diseño de la rugosidad de pared, Є,
ha sido determinada de la forma en que se muestra en la figura.
24
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.5 Rugosidad de pared de conducto (exagerada)
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
Uno de los métodos más extensamente empleados para evaluar el factor de
fricción hace uso del diagrama de Moody que se presenta en la figura 2.6. El
diagrama muestra el factor de fricción, f, graficado contra el número de Reynolds,
NR, con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa, D/Є.
Estas curvas fueron generadas a partir de datos experimentales por L.F. Moody.
Tanto f como NR están graficados en escalas logarítmicas, debido al amplio
intervalo de valores encontrados. En el extremo izquierdo del diagrama, para números
de Reynolds menores que 2000, la línea recta muestra la relación F = 64/NR para
flujo laminar. Para 2000< NR < 4000, no se trazan curvas, pues se trata de la zona
crítica entre flujo laminar y turbulento y no es posible predecir el tipo de flujo. Más
arriba de NR = 4000, se grafica la familia de curvas para diferentes valores de D/Є.
25
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.6 Diagrama de Moody
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Moody
2.16 Fuente de pérdidas menores.
En la mayor parte de los sistemas de flujo, la pérdida de energía primaria se
debe a la fricción de conducto, los demás tipos de pérdidas generalmente son
pequeñas en comparación, y por consiguiente se hace referencia a ellas como
pérdidas menores. Las pérdidas menores ocurren cuando hay un cambio en la sección
cruzada de la trayectoria de flujo o en la dirección de flujo, o cuando la trayectoria de
flujo se encuentra obstruida, como sucede con una válvula. La energía se disipa bajo
estas condiciones debido a fenómenos físicos bastantes complejos, y por tanto,
normalmente se usan los datos experimentales.
26
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
2.16.1 Coeficiente de resistencia.
Las pérdidas de energía son proporcionales a la cabeza de velocidad del fluido
al fluir alrededor de un codo, a través de una dilatación o contracción de la sección de
flujo, o a través de una válvula. Los valores experimentales de pérdidas de energía
generalmente se reportan en términos de un coeficiente de resistencia, K, de la
siguiente forma:
hL = K
v2
2g
(26)
En la ecuación anterior, hL es la pérdida menor, K, es el coeficiente de
resistencia y ν es la velocidad de flujo promedio en el conducto, en la vecindad donde
se presenta la pérdida menor.
2.16.2 Dilatación súbita
Al fluir un fluido de un conducto menor a uno mayor a través de una
dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una turbulencia
que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y por consiguiente, la
cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los tamaños de los dos
conductos.
Figura 2.7 Dilatación súbita
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
27
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
La pérdida menor se calcula de la ecuación:
2
v
hL = K 1
2g
Donde
(27)
ν1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está
delante de la dilatación ver figura 2.7. Las pruebas han demostrado que el valor del
coeficiente de pérdidas K depende tanto de la proporción de los tamaños de los dos
conductos como de la magnitud de la velocidad de flujo.
Al hacer ciertas suposiciones de simplificación respecto del carácter de la
corriente de flujo al expandirse a través de una dilatación súbita, es posible predecir
analíticamente el valor K a partir de la siguiente ecuación:
K = [1 −
A1 2
D
] = [1 − ( 1 ) 2 ] 2
A2
D2
(28)
2.16.3 Contracción Súbita.
La pérdida de energía debido a una contracción súbita se calcula a partir de:
2
hL = K *
v2
2* g
Donde ν2 es la velocidad en la corriente hacia abajo del conducto menor a
partir de la contracción. El coeficiente de resistencia K depende de la proporción de
los tamaños de los dos conductos y de la velocidad de flujo ver figura 2.8.
Figura 2.8 Contracción súbita
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
28
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.9 Coeficiente de resistencia- contracción súbita
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
2.16.4 Dilatación Gradual
Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos
abrupta que la dilatación súbita de bodes cuadrados, la pérdida de energía se reduce.
Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los conductos, como se
muestra en la figura 2.10. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido
durante la desaceleración y expansión de la corriente de flujo.
Figura 2.10 Dilatación Gradual
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
29
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
La pérdida de energía para una dilatación gradual se calcula a partir de:
2
v
hL = K 1
2g
(29)
Donde v1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la dilatación.
La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro
de cono, θ. En la figura II.11 se dan varios valores de θ y
D2
D1
D2
D1
.
Figura 2.11 Coeficiente de Resistencia Dilatación Gradual
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
como del ángulo
30
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
2.16.5 Coeficientes de resistencia para válvulas y codos:
Se disponen de muchos tipos diferentes de válvulas y codos de varios
fabricantes parra especificación e instalación en sistemas de flujo de fluidos. Las
válvulas se utilizan para controlar la cantidad de flujo y pueden ser válvulas de globo,
de ángulo, de mariposa. Los codos dirigen la trayectoria de flujo y ocasionan un
cambio en el tamaño de la trayectoria de flujo.
La pérdida de energía incurrida como flujos de fluido a través de una válvula
o juntura se calcula a partir de la siguiente ecuación, sin embargo, el método para
determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El valor de K se reporta en la
forma:
K =(
Le
D
) fT
(30)
El valor de (Le / D) llamado la proporción de longitud equivalente, se reporta
en la tabla II y se considera que es una constante para un tipo dado de válvula o codo.
El valor de Le se denomina longitud equivalente y es la longitud del conducto recto
del mismo diámetro nominal como la válvula que tendría la misma resistencia que
esta. El termino D es el diámetro interno real del conducto.
El término fT es el factor de fricción en el conducto al cual está conectada la
válvula o codo, tomado en la zona de turbulencia completa. En el diagrama de
Moody, la zona de turbulencia completa cae en el área derecha más alejada, donde el
factor de fricción es independiente del número de Reynolds. La línea punteada que
corre generalmente en forma diagonal a través del diagrama divide la zona de
turbulencia completa de la zona de transición a la izquierda.
31
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Tabla 2.2 Longitud equivalentes en diámetros de conducto, Le/D
Fuente: Mott Robert (1996), Mecánica de Fluidos Aplicada
Tipo
Longitud Equivalente en Diámetros de
Conducto L/D
Válvula de globo-Completamente abierta.
Válvula de ángulo-Completamente abierta.
Válvula de Compuerta-Completamente abierta.
3/4 Abierta.
1/ 2 Abierta.
1/4 Abierta.
Válvula de Verificación – Tipo Giratorio.
Válvula de Verificación – Tipo bola.
Válvula de Mariposa – Completamente Abierta.
Codo estándar a 90º
Codo de Radio de Largo a 90º
Codo de calle de 90º
Codo estándar de 45º
Codo de Calle de 45º
Codo de Devolución Cerrada.
Te estándar – Con Flujo a través de un Tramo.
Te estándar – Con Flujo a través de una Rama.
340
150
8
35
160
900
100
150
45
30
20
50
16
26
50
20
60
2.17 Gases medicinales.
El término de gases medicinales se refiere a aquellos gases que son
suministrados directamente al paciente, siendo utilizados en operaciones quirúrgicas
y otros tratamientos. Entre éstos se pueden mencionar, el oxígeno, óxido nitroso y
otros. Adicionalmente el término incluye todos aquellos gases que forman parte del
uso cotidiano en las instalaciones de un hospital, tales como, los gases propulsores de
equipos, los gases para sistemas de refrigeración, el sistema de vacío y el aire
comprimido.
2.17.1 Red de suministro de gases en un hospital.
La distribución de gases medicinales en los hospitales ha sido posible, gracias
a la implementación de una red centralizada; la cual, garantiza un flujo continuo de
gas hacia las diferentes áreas del hospital. Esta red está constituida por tuberías,
32
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
válvulas, compresores de aire, bombas de vacío, un tanque criogénico y varios bancos
de cilindros.
2.18 Características de los gases medicinales.
Los gases tienen un uso muy extenso y variado en el campo de la medicina.
Por lo general se les usa con fines anestésicos y terapéuticos.
A continuación se pueden observar las características más sobresalientes de
los gases terapéuticos y anestésicos más utilizados.
2.18.1 Oxígeno (O2):
2.18.1.1 Características físicas:
•
Gas incoloro, inodoro e insípido.
•
Se obtiene del aire mediante un proceso químico, que se realiza en una planta
industrial. A los
hospitales se les suministra en
estado comprimido
(cilindros) o líquido (tanque criogénico).
•
Es oxidante y comburente debido a su propiedad de acelerar la combustión.
•
El oxígeno líquido a presión atmosférica es de color azul pálido.
2.18.1.2 Aplicaciones principales:
•
Recuperar la oxigenación de la sangre y los tejidos, alterada por algún
trastorno orgánico.
•
Acelerar el proceso de curación y cicatrización de quemaduras y llagas.
•
Aliviar afecciones en el sistema respiratorio y pérdida de conocimiento
cuando hay deficiencia del mismo en el aire.
33
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
2.18.2 Oxido Nitroso (N2O):
2.18.2.1 Características físicas:
•
Gas inorgánico, incoloro con un olor tenue y un sabor algo dulce.
•
Soluble en agua y más denso que el aire.
•
Se vende en forma comprimida (30atm) en cilindros de acero.
3.18.2.2 Aplicaciones principales:
•
Sin diluir es un anestésico rápido pero de poca duración aproximadamente 2
minutos.
•
Mezclado con oxígeno tiene aplicación en odontología (gas hilarante), en
ortopedia y obstetricia.
•
No ofrece riesgo de explosión en los quirófanos.
2.18.3 Vacío
De acuerdo con la definición de la Sociedad Americana de Vacío (1958), el
termino vacío se refiere a cierto espacio lleno con gases a una presión total menor que
la presión atmosférica, por lo que el grado de vacío se incrementa en relación directa
con la disminución de presión del gas residual. Esto significa que en cuanto más se
disminuye la presión, se obtiene mayor vacío, lo que permite clasificar el grado de
vació en bajo, mediano, alto y ultra vacío, en correspondencia con intervalos de
presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene características propias.
•
Bajo y mediano vacío: El intervalo de presión atmosférica con estas
características se manifiesta desde un poco menos de 760 torr hasta 10‫־‬² torr,
para los gases que componen el aire se evacuan a diferentes velocidades y esto
altera la composición de gases del aire residual.
34
UNET
•
Capítulo II Marco Teórico.
Alto vacío: El intervalo de presión se extiende desde cerca de 10‫־‬³ hasta
10‫־‬torr. La composición de gases residuales presenta un alto contenido de
vapor de agua (H2O).
•
Ultra alto vacío: el intervalo de presión va desde 10 hasta torr. Las superficies
internas del recipiente se mantienen limpias de gas. En este intervalo el
componente dominante de los gases residuales es el hidrogeno.
2.18.3.1 Características físicas:
•
Generado por compresores de émbolos accionados eléctricamente.
•
Puede generarse mediante el uso de bombas de vacío.
2.18.3.2 Aplicaciones principales:
•
De gran utilidad en hospitalización, emergencia, quirófanos, recuperación,
para la succión de flemas y diversas secreciones orgánicas.
3.18.4 Aire comprimido medicinal:
2.18.4.1 Características físicas:
•
Es una mezcla de oxígeno (21%), nitrógeno (78%) y argón (1%).
•
Proporciona una atmósfera local libre de todo contaminante en forma de
partículas.
•
Suministrado en cilindros o por compresores de embolo accionados
eléctricamente.
35
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
2.18.4.2 Aplicaciones principales:
•
Mezclado con oxígeno genera una atmósfera rica en oxígeno para fines
terapéuticos.
•
Medio de propulsión en equipos de succión e instrumentos quirúrgicos.
2.18.4.3 Funcionamiento del sistema de aire comprimido.
Las centrales de aire comprimido para instalaciones hospitalarias, son una
alternativa considerable en algunos países, tales instalaciones están destinadas a
proporcionar los insumos de aire necesario para satisfacer la demanda en equipos que
suministran este aire para facilitar el cuidado y recuperación de pacientes.
El sistema de aire comprimido en un hospital funciona por medio de un
sistema de generación de aire a través de un juego de compresores que aumentan la
presión del fluido y lo almacena en un contenedor para luego distribuirlo a cada uno
de los puntos de toma previamente pasado por una serie de filtros y secadores para
evitar su contaminación y garantizar su mayor limpieza, y así ser utilizado de manera
segura y confiable en cada una de las áreas del hospital.
2.18.4.4 Componentes de un sistema de aire comprimido hospitalario.
Generalizando en la mayoría de sistemas de aire comprimido hospitalarios se
pueden distinguir los siguientes elementos.
™ Elementos generadores: Compresores de aire.
™ Elementos de acondicionamiento de aire: Filtros, enfriadores, etc.
™ Elementos para la distribución: Tuberías.
™ Elementos controladores y reguladores: Válvulas de cierre de zona y sistemas de
alarma.
™ Elementos finales: Recipiente o contenedor y tomas de pared.
36
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
A continuación se especificará cada uno de estos componentes:
2.18.4.5 Elementos generadores.
El aire en su estado natural se encuentra como un gas a presión atmosférica.
La presión de éste, es a su vez elevada reduciendo el volumen específico del mismo
durante su paso a través del compresor para ser almacenado en un contenedor para
luego ser usado en diferentes aplicaciones de uso medicinal.
Los compresores son utilizados para aumentar la presión del fluido y enviarlo
a través de las tuberías hacia las distintas zonas que demandan la producción de aire.
Estructura de los compresores.
Los elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas,
enfriador y árboles. El cuerpo y las tapas del compresor se enfrían por medio de aire o
agua.
Tipos de compresores.
Los compresores se clasifican generalmente como máquinas de alta presión y
se clasifican de acuerdo a la presión generada.
•
Los de presiones bajas que van desde: 0 a 175 psi
•
Los de presiones medias a altas: manejan niveles de 150 a 650 psi
•
Los de presiones altas que producen de 2500 a 5000 psi
También se clasifican de acuerdo al funcionamiento mecánico.
37
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Clasificación según su
funcionamiento
mecánico
Compresores de
desplazamiento positivo
Compresores
alternativos o
de émbolos
Compresores dinámicos o
de desplazamiento no
positivos
Compresores
rotativos
Soplador de
lóbulos
De embolo
oscilante
Compresores
centrífugos
Compresores
de flujo axial
De aspas o
paletas
De
Membrana
De espiral
o tornillo
Figura 2.12 Clasificación de los compresores.
Fuente Propia
Selección de compresores comerciales
Para la adecuada selección de un compresor hay que tener en cuenta una serie
de factores determinantes entre los que se pueden mencionar:
¾ El uso que se va a destinar y aquellos otros requerimientos relativos a presión,
aire exento de aceite, etc.
¾ Máxima y mínima demanda de aire, variaciones estacionales, desarrollo
futuro previsto, entre otras.
¾ Condiciones ambientales; los factores que hay que considerar son:
temperaturas extremas, grado de contaminación del aire, altitud entre otras.
¾ Clase de edificación en la que se va a instalar el compresor; los factores a
considerar son: limitaciones del espacio, carga que puede soportar el suelo,
limitaciones de la vibración, etc.
¾ Costo de la energía.
38
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
¾ Cantidad de calor puede recuperarse.
¾ Límites de disponibilidad de potencia.
¾ Limitaciones de ruido.
¾ Continuidad o intermitencia en la necesidad de aire.
¾ Costo aceptable de una parada.
¾ Experiencia del usuario y del personal de mantenimiento.
Elementos para la distribución del aire comprimido.
Para distribuir el aire comprimido hacia todas las secciones del hospital se
necesitan de tuberías y válvulas. Para determinar el diámetro de la tubería es
necesario conocer:
•
El caudal requerido.
•
La pérdida admisible de presión.
•
Elementos que posee la red (válvulas, codos, piezas).
•
Presión de servicio.
En la práctica para determinar el diámetro de la tubería se pueden diferenciar
dos métodos:
Analítico: El cual toma en consideración las pérdidas en los distintos ramales
de la red y del sistema completo de tuberías.
Gráfico: En éste se utiliza un nomograma como el mostrado en la figura 2.19,
donde se representan todas las magnitudes mencionadas anteriormente para el
cálculo. En una primera etapa, para determinar el calibre de una sección de la tubería
usando el nomograma de la figura 2.19 se une la línea A (longitud de la tubería) con
la línea B (caudal). Luego se prolonga esta línea hasta intersectar la línea C (eje1). Se
une la línea E (presión) con este último punto de intersección. En la línea F (eje 2) se
obtiene otra intersección con esta última línea. Se une los puntos en los ejes 1 y 2.
39
UNET
Esta línea corta
Capítulo II Marco Teórico.
la línea D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que
proporciona el diámetro de la tubería (diámetro preliminar).
Figura 2.13 Monograma para el cálculo de tuberías
Fuente: Festo Didactic
2.19 Elementos reguladores.
Estos elementos tienen la finalidad de controlar el flujo de gases en la red de
tuberías.
Válvulas y cajetines: Las válvulas de paso controlan el suministro a un
departamento o una sección dentro de un departamento, deben ser colocadas en un
40
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
gabinete o un cajetín cubierto por un vidrio fácilmente rompible o por una tapa
transparente.
Figura 2.14 Válvula de Cierre de Zona.
Fuente: Manual Gases medicinales Aga Gas c.a
Para cada servicio como sala de preparación, quirófano, terapia intensiva y
sala post operatoria o de recuperación, además de la sala de partos, etc., se debe poder
cerrar el suministro de los gases independientemente. Si se presenta una situación de
emergencia, o si hay necesidad de efectuar alguna reparación en el quirófano por
ejemplo, y hay que cerrar el suministro de cualquiera de los gases, esto debe poder
hacerse sin afectar el suministro a los otros servicios del hospital.
41
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Figura 2.15 Cajetín de Válvulas
Fuente: Manual Gases medicinales Aga Gas C.A.
2.20 Sistemas de alarma.
Las centrales de reducción, los compresores, el funcionamiento de la bomba
de vacío, además de la presión de trabajo en la red de tuberías en cuestión, deben
estar vigilados por un sistema de alarma audiovisual. Los tableros de alarma deben
ubicarse en un ambiente donde siempre haya personal, como por ejemplo la central
de mantenimiento, la central telefónica, la sala de estar de enfermeras, etc. Cuando la
alarma entre en funcionamiento, debe permanecer encendida la luz hasta que se haya
arreglado totalmente la falla.
2.21 Tomas para el sistema de aire comprimido.
Las redes de tubería que parten de las centrales terminan en las tomas,
también llamadas puntos de salida, puestos de tomas, entre otras; colocadas en las
salas, quirófanos y cuartos, deben contar con una válvula de retención de cierre
automático, que impida la salida del gas mientras no se les conecta ningún accesorio.
Las tomas son de apariencia externa y tamaño similar para todos los gases,
cambiando el botón de identificación sobre el chasis dependiendo del gas. Las tomas
utilizadas para instalaciones medicinales, pueden ser en general de dos tipos, para
empotrar en pared, de conexión acople rápido, y para instalar en techo, con conexión
roscada tipo diss.
42
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
Las tomas pueden ser empotradas en las paredes, a una altura recomendada de
1,50 m del piso, si es necesario colocar una junta a otra, pueden ser instaladas en
conjunto. El cajetín de la toma que se está empotrando, debe tener los bordes al ras de
la pared, y al aplicar el friso final, debe poseer la tapa plástica de protección, para
evitar el deterioro en el funcionamiento de la toma, luego de que el acabado esté
terminado se colocará la tapa frontal, quedando la toma operativa.
Al instalar la toma medicinal se debe conectar el tubo de suministro de la
toma; al bajante del sistema centralizado, para poder conectar la toma a la red
principal, este tubo debe ser previamente soldado con soldadura autógena de plata, y
antes de realizar el empotramiento del tubo se debe probar a presión, para asegurar la
hermeticidad del sistema de suministro.
Figura 2.16 Toma de pared
Fuente: Manual Gases medicinales Aga Gas C.A.
43
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
2.22 Normas generales para la instalación de tuberías de gases
medicinales.
Los diferentes gases medicinales, son llevados por medio de sus respectivas
redes de tuberías hasta los diferentes puntos de consumos dentro de la edificación
hospitalaria.
Los materiales de los tubos deben ser de cobre desfosforado y forjado,
acabado en frío, estos tipos de tubería son pocos sensibles a la corrosión o a adquirir
impurezas. En Venezuela, de acuerdo a las normas vigentes, toda la tubería de cobre
debe ser del tipo “L” (resistente para 20 bar). La tubería de cobre flexible que se
utiliza para empotrar en pared con la toma medicinal también es para 20 bar.
Antes de comenzar con el montaje de las tuberías, se debe limpiar cada tubo, o
cada accesorio de cobre perteneciente a la instalación, con desengrasante tal como:
carbonato de sodio disuelto en agua en proporción de 1 kg. por 20 litros de agua, u
otra sustancia similar que no afecte el medio ambiente, luego deben ser lavadas con
abundante agua tibia y sopladas con nitrógeno o con aire seco. Libre de grasa. Los
tubos deben estar bien lijados y limpios en los lugares donde se van a realizar las
juntas y conexiones por medio de soldadura autógena, se recomienda utilizar plata al
35 %, y su respectivo fundente que garantiza la soldadura por capilaridad.
Las conexiones fijas soldadas con plata que van a estar empotradas o
embutidas no deben presentar fugas en lo absoluto, éstas deben ser estrictamente
inspeccionadas antes de cubrirse, a fin de tener la plena seguridad de que están
herméticas.
Lo ideal para las tuberías mencionadas es que tengan su propio ducto, donde
estén solos con servicios que no presenten ningún riesgo. Se deben evitar instalar
44
UNET
Capítulo II Marco Teórico.
estas tuberías en los ductos de los ascensores, cerca de incineradores, las tuberías
enterradas deben estar protegidas contra la corrosión y los daños físicos.
Luego de instalado el sistema de tuberías, se debe someter a la prueba de
presión y de hermeticidad con gas nitrógeno, a 1.2 veces mayor que la presión de
trabajo, esta presión es alrededor de 8-10 bar. Esta carga en la tubería se mantendrá
por un tiempo prudencial, por lo menos unas cuatro horas, durante ese tiempo no se
debe apreciar ninguna baja apreciable de presión, salvo aquella que pueda originarse
por cambios de temperatura notorios en el ambiente.
Las juntas soldadas, una vez sometidas a presión se deben chequear aplicando
agua jabonosa, si existe alguna fuga imperceptible, la misma originará burbujas
visibles.
Después de instaladas y probada toda la tubería no empotrada, será pintada
con los colores correspondientes de acuerdo a los colores que establece la norma
COVENIN 0253-06 “Codificación para la identificación de tuberías que conducen
fluidos” luego se debe realizar una prueba de presión y chequear que cada toma
medicinal instalada suministra el gas adecuado a las condiciones necesarias para tal
fin.