0101-TR Codigos Normas Unidades & Tuberias

(1)

PLANTAS DE PROCESO.

(Químico, Petroquímico o Farmacéutico).

0101

CÓDIGOS, NORMAS, UNIDADES Y

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS.

(2)

ÍNDICE DE LA UNIDAD:

00 INTRODUCCIÓN.

01 01 GENERALIDADES.

GENERALIDADES.

02 CÓDIGOS Y

02 CÓDIGOS Y NORMAS.

NORMAS.

03 LOS SISTEMAS DE UNIDADES.

04 LAS MAGNITUDES PRINCIPALES.

04.1 La

04.1 La longitud.

longitud.

04.2 El área o superficie.

04.3 El volumen.

04.4 La velocidad y la aceleración.

04.5 El caudal.

04.6 La masa

04.6 La masa y sus

y sus magnitudes derivadas.

magnitudes derivadas.

04.7 La densidad

04.7 La densidad y el

y el peso especí

peso específico.

fico.

04.8 La presión y

04.8 La presión y el vacío.

el vacío.

04.9 La energía, el trabajo, la potencia, el calor y la temperatura.

05 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

06 PRODUCTOS TUBUL

06 PRODUCTOS TUBULARES DE ACERO.

ARES DE ACERO.

06.1 Tubos.

06.2 Tuberías.

07 DIMENSIONES DE

07 DIMENSIONES DE LAS TUBERÍAS.

LAS TUBERÍAS.

07.1 Tuberías en pulgadas (ANSI, ASME & ASTM).

07.2 Tuberías en milímetros (DIN & ISO).

07.3 Equivalencia entre “rattings” y presiones.

07.4 Tablas de dimensiones de tuberías en

07.4 Tablas de dimensiones de tuberías en milímetros y pulgadas.

milímetros y pulgadas.

08 MATERIALES PARA TUBERÍAS.

08.1 Tuberías de acero al carbono.

08.2 Tuberías de acero aleado.

08.3 Tuberías de acero inoxidable

08.4 Tuberías de aleación de níquel, cromo y otros aleantes.

08.5 Tubería

08.5 Tubería de materiales termoplásticos.

de materiales termoplásticos.

08.6 Tuberías de acero revestidas.

09 FORMAS DE FABRICACIÓN DE LAS TUBERÍAS.

09.1 Tubería estirada (sin soldadura).

09.2 Tubería sold

09.2 Tubería soldada.

ada.

10 ACABADOS DE LOS

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ÍNDICE DE LA UNIDAD:

00 INTRODUCCIÓN.

01 01 GENERALIDADES.

GENERALIDADES.

02 CÓDIGOS Y

02 CÓDIGOS Y NORMAS.

NORMAS.

03 LOS SISTEMAS DE UNIDADES.

04 LAS MAGNITUDES PRINCIPALES.

04.1 La

04.1 La longitud.

longitud.

04.2 El área o superficie.

04.3 El volumen.

04.4 La velocidad y la aceleración.

04.5 El caudal.

04.6 La masa

04.6 La masa y sus

y sus magnitudes derivadas.

magnitudes derivadas.

04.7 La densidad

04.7 La densidad y el

y el peso especí

peso específico.

fico.

04.8 La presión y

04.8 La presión y el vacío.

el vacío.

04.9 La energía, el trabajo, la potencia, el calor y la temperatura.

05 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

06 PRODUCTOS TUBUL

06 PRODUCTOS TUBULARES DE ACERO.

ARES DE ACERO.

06.1 Tubos.

06.2 Tuberías.

07 DIMENSIONES DE

07 DIMENSIONES DE LAS TUBERÍAS.

LAS TUBERÍAS.

07.1 Tuberías en pulgadas (ANSI, ASME & ASTM).

07.2 Tuberías en milímetros (DIN & ISO).

07.3 Equivalencia entre “rattings” y presiones.

07.4 Tablas de dimensiones de tuberías en

07.4 Tablas de dimensiones de tuberías en milímetros y pulgadas.

milímetros y pulgadas.

08 MATERIALES PARA TUBERÍAS.

08.1 Tuberías de acero al carbono.

08.2 Tuberías de acero aleado.

08.3 Tuberías de acero inoxidable

08.4 Tuberías de aleación de níquel, cromo y otros aleantes.

08.5 Tubería

08.5 Tubería de materiales termoplásticos.

de materiales termoplásticos.

08.6 Tuberías de acero revestidas.

09 FORMAS DE FABRICACIÓN DE LAS TUBERÍAS.

09.1 Tubería estirada (sin soldadura).

09.2 Tubería sold

09.2 Tubería soldada.

ada.

10 ACABADOS DE LOS

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01 GENERALIDADES.

Considerando el origen de la tecnología del petróleo, es lógico comprender, que sean los Considerando el origen de la tecnología del petróleo, es lógico comprender, que sean los EE.UU. de América, el país que marque la pauta, en cuanto a todo lo concerniente al proceso, o EE.UU. de América, el país que marque la pauta, en cuanto a todo lo concerniente al proceso, o el refino del petróleo; por ello, es el inglés el idioma común a todos los técnicos relacionados en el refino del petróleo; por ello, es el inglés el idioma común a todos los técnicos relacionados en un modo u otro, con las plantas de proceso o refinó, e incluso las plantas químicas, las un modo u otro, con las plantas de proceso o refinó, e incluso las plantas químicas, las farmacéuticas o nucleares, esto que es valido para el idioma, también lo es para la normativa. farmacéuticas o nucleares, esto que es valido para el idioma, también lo es para la normativa. Hay un término universalizado para definir el objetivo ultimo de estos cursos de formación, Hay un término universalizado para definir el objetivo ultimo de estos cursos de formación,

PIPING DESIGN,

PIPING DESIGN, que puede traducirse como,que puede traducirse como, DISEÑO DE TUBERÍASDISEÑO DE TUBERÍAS, si bien para llegar a, si bien para llegar a ese nivel, será necesario iniciarse en el conocimiento, a nivel descriptivo, de los distintos ese nivel, será necesario iniciarse en el conocimiento, a nivel descriptivo, de los distintos elementos y equipos que conforman las instalaciones de tuberías, paralelamente al aprendizaje elementos y equipos que conforman las instalaciones de tuberías, paralelamente al aprendizaje de las técnicas propias de la representación

de las técnicas propias de la representación isométricaisométrica y del dibujo de, los y del dibujo de, los layouts layouts o planos de o planos de tuberías en planta a través de trazados muy simples, pero adecuadamente didácticos.

tuberías en planta a través de trazados muy simples, pero adecuadamente didácticos. Bajo el término de

Bajo el término de PIPING DESIGN,PIPING DESIGN, se engloban unos trabajos que afectan más o menos se engloban unos trabajos que afectan más o menos directamente a la casi totalidad de las actividades de un proyecto, para una refinería o planta directamente a la casi totalidad de las actividades de un proyecto, para una refinería o planta similar, aproximadamente el 40% de las horas consumidas en la redacción del proyecto se similar, aproximadamente el 40% de las horas consumidas en la redacción del proyecto se dedican a las tuberías y sus "circunstancias", sería casi imposible escribir sobre plantas dedican a las tuberías y sus "circunstancias", sería casi imposible escribir sobre plantas industriales sin incluir unas líneas que inicien el conocimiento de los CÓDIGOS, NORMAS, y industriales sin incluir unas líneas que inicien el conocimiento de los CÓDIGOS, NORMAS, y UNIDADES, empleadas en el diseño de tuberías, que se utilizaran a lo largo de este curso y que UNIDADES, empleadas en el diseño de tuberías, que se utilizaran a lo largo de este curso y que formaran parte de las herramientas de trabajo del diseñador de tuberías.

formaran parte de las herramientas de trabajo del diseñador de tuberías.

En las plantas industriales, los citados sistemas tuberías, pertenecen a una de estas dos En las plantas industriales, los citados sistemas tuberías, pertenecen a una de estas dos categorías:

categorías: ?

? Líneas dLíneas de Procese Proceso; que cono; que conducen los ducen los materiales materiales que forman que forman parte del proparte del producto finaducto final.l. ?

? Líneas de SeLíneas de Servicio; que tranrvicio; que transportan losportan los fluidos adecs fluidos adecuados en las cuados en las condicionondiciones precises precisas, paraas, para que la fabricación de cada uno de los productos o “cortes” del proceso, se realice en las que la fabricación de cada uno de los productos o “cortes” del proceso, se realice en las condiciones de presión y/o temperatura adecuadas, o para dotar al componente o producto condiciones de presión y/o temperatura adecuadas, o para dotar al componente o producto final, de la energía y/o movimiento preciso.

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02 CÓDIGOS Y NORMAS.

Teniendo en cuenta los últimos avances de la tecnología en todos los campos, es lógico Teniendo en cuenta los últimos avances de la tecnología en todos los campos, es lógico comprender, el que existan Códigos, Normas, Reglamentaciones, o Disposiciones Legales, que comprender, el que existan Códigos, Normas, Reglamentaciones, o Disposiciones Legales, que afectan a las diferentes industrias en cada uno de los países desarrollados, así como, el que sean afectan a las diferentes industrias en cada uno de los países desarrollados, así como, el que sean los EE.UU. de América, el país que marque la pauta, en cuanto a todo lo concerniente al los EE.UU. de América, el país que marque la pauta, en cuanto a todo lo concerniente al proce

proceso, so, o o el el refinó refinó del del petrópetróleo. leo. En En la la indusindustria tria espaespañola ñola ha ha habidhabido o gran gran influeinfluencia ncia de de laslas Normas DIN, actual

Normas DIN, actualmente la industria norteamente la industria norteamericanmericana ha impuesto sus Códigoa ha impuesto sus Códigos y Normas en las y Normas en la industria

industria química, química, petroquímica, petroquímica, nuclear, etc., por ello, en los nuclear, etc., por ello, en los proyectos de este tipo, esproyectos de este tipo, es obligada la aplicación de esas Normas.

obligada la aplicación de esas Normas.

En España disponemos de las siguientes normas: En España disponemos de las siguientes normas:

Æ

Æ Reglamento de instalaciones petrolíferas (RD 2085/94). Reglamento de instalaciones petrolíferas (RD 2085/94).

ITC. MI-IP-01 “Refinerías”. ITC. MI-IP-01 “Refinerías”.

ITC. MI-IP-02 “Parques de Almacenamiento” (RD 1562/98). ITC. MI-IP-02 “Parques de Almacenamiento” (RD 1562/98).

ITC. MI-IP-03 “Instalaciones petrolíferas para uso propio (RD 1427/97). ITC. MI-IP-03 “Instalaciones petrolíferas para uso propio (RD 1427/97).

ITC. MI-IP-04 “Instalaciones fijas para distribución al por menor de carburantes, etc.” ITC. MI-IP-04 “Instalaciones fijas para distribución al por menor de carburantes, etc.” Estas normas hacen referencia a las normas UNE; que son publicadas por AENOR. Estas normas hacen referencia a las normas UNE; que son publicadas por AENOR.

Æ

Æ_{Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos (RD 379/2001).}_{Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos (RD 379/2001).} Æ

Æ Reglamento de Seguridad Contra Incendios en los Establecimientos Industriales (RD 786/2001). Reglamento de Seguridad Contra Incendios en los Establecimientos Industriales (RD 786/2001). Æ

Æ_{Reglamento de recipientes a presión (1979 y 1990); en él se incluyen las tuberías.}_{Reglamento de recipientes a presión (1979 y 1990); en él se incluyen las tuberías.}

En las tuberías se nos presenta el termino

En las tuberías se nos presenta el termino "schedule""schedule" el cual, en función del diámetro, el cual, en función del diámetro, determina el espesor de las tuberías, por ello, y como complemento de lo ya indicado, determina el espesor de las tuberías, por ello, y como complemento de lo ya indicado, adjuntamos la siguiente relación de instituciones Norteamericanas de Normalización, que han adjuntamos la siguiente relación de instituciones Norteamericanas de Normalización, que han establecido dimensiones para estos espesores:

establecido dimensiones para estos espesores:

Æ

Æ_{ANSI (American National Standard Institute). Concretamente la norma ANSI B31 "Code for}_{ANSI (American National Standard Institute). Concretamente la norma ANSI B31 "Code for}

Pressure Piping", que en sus 8 secciones, regula el diseño, fabricación, montaje, prueba e Pressure Piping", que en sus 8 secciones, regula el diseño, fabricación, montaje, prueba e inspección de los sistemas de tuberías de una planta industrial; ANSI; define los siguientes inspección de los sistemas de tuberías de una planta industrial; ANSI; define los siguientes números de "schedule" o programas de fabricación; 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y números de "schedule" o programas de fabricación; 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160; los espesores definidos por estos "schedules" dentro de cada tamaño se emplean en la 160; los espesores definidos por estos "schedules" dentro de cada tamaño se emplean en la fabricación de tuberías de acero al carbono o aleado.

fabricación de tuberías de acero al carbono o aleado.

Las tuberías de acero inoxidable tienen espesores correspondientes a los "schedules" 5S, Las tuberías de acero inoxidable tienen espesores correspondientes a los "schedules" 5S,

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Æ _ASME_{(American Society of Mechanical Engineers). Esta norma, en particular la “Section}

III, Division 1-Subsection NB”, facilita la descripción de un componente mecánico en concreto, con indicación de las características a que debe responder el material con el que esta construido; ASME; a través de sus definiciones de "peso"

? Standard "STD" (standard weight), equivalente al sch. 40 para una gran parte de los Ø.

? Extra fuerte "XS" (extra-strong), equivalente al sch. 80 para numerosos diámetros.

? Doble extra fuerte "XXS" (double-extra-strong), equivalente al sch. 160 para algunos Ø.

Æ ASTM (American Society for Testing and Materials). Bajo esta norma, suelen ser descritos

cada uno de los materiales, con indicación del proceso de fabricación, composición química, propiedades físicas y procedimientos de pruebas a las que deben ser sometidos; ASTM; a

través de sus definiciones de "peso" da los siguientes espesores:

? Standard "STD" (standard weight), semejante a la misma denominación ASME, y como en ese caso equivalente al sch. 40 para una gran parte de los Ø.

? Extra pesado "XE" (extra- heavy).

? Doble extra pesado "XXE" (double-extra-heavy).

Æ _USAS_{(United States of América Standards). Antes estas normas se denominaban, ASA}

(American Standard Association); las dimensiones y características de los accesorios de las tuberías e incluso estas, son regulados por este tipo de norma.

Æ API_{(American Petroleun Institute). A veces, las dimensiones y características de las}

tuberías, pueden ser definidas mediante sus normas 5L y 5LX, estas dimensiones de fabricación no incluyen referencias explícitas entre tamaño y espesores.

Las tuberías bajo las Normas Norteamericanas descritas, se fabrican básicamente mediante 2 procedimientos:

Æ_{Con soldadura longitudinal (straight-seam-welded).} Æ_{Sin costura (seamless).}

Además de estos vocablos, referidos a las tuberías, existen otros muchos que se irán describiendo a medida que sea necesario, para una mejor comprensión de cada tema.

La Unión Europea está armonizando actualmente las Normas de los diferentes Estados, mediante la emisión de los Eurocódigos, que serán la base de la Normativa Europea. Finalmente la “International Standarization Organization” (ISO) realiza una labor muy positiva, en la unificación de todas estas normas, si bien de un modo lento.

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03 LOS SISTEMAS DE UNIDADES.

Describiremos en este capitulo los más habituales, como son el métrico y su derivado el internacional, y con especial énfasis, el anglo-americano.

La ley de Pesas y Medidas del 8 de julio de 1892 adopta oficialmente para España este sistema de medidas, desde entonces se han venido utilizando las distintas unidades según el uso habitual de cada rama de la técnica y de la ciencia, mezclando unidades para las magnitudes habituales, que no responden a un mismo sistema. Para intentar usar en todos los países un mismo sistema de unidades, en 1960 la Conferencia General de Pesas y Medidas (París), reunió a 42 países, entre ellos España, los cuales decidieron adoptar un nuevo sistema de unidades, llamado Sistema Internacional (S.I.), que no fue asumido por EE.UU. y otros países dicho sistema se ha hecho obligatorio en España por la Ley 88/67, del 8-11-67, y Decretos 1.257/74 y 18.464/74; que ha provocado la coexistencia de 2 sistemas de unidades, el Internacional ya citado y el

Angloamericano. La Ley 88/67 señala seis unidades fundamentales y dos suplementarias.

TABLA 01; UNIDADES FUNDAMENTALES DEL S.I.

MAGNITUDES UNIDADES SÍMBOLOS

Masa Kilogramo Kg.

Longitud Metro m.

Tiempo Segundo s.

Intensidad de corriente eléctrica Amperio A.

Temperatura termodinámica Grado Kelvin ºK.

Intensidad luminosa Candela cd.

TABLA 02: UNIDADES SUPLEMENTARIAS DEL S.I.

Magnitudes Unidades Símbolos Unidades S.I.

Ángulo plano Radian rad

----Ángulo sólido Estereorradian Sr

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El sistema angloamericano es un sistema de unidades de carácter muy tradicional, que se ha ido adaptando a los avances tecnológicos, por lo que presenta características que pueden ser consideradas incongruentes, si no se tiene en cuenta su origen, basado en las necesidades mercantiles, y poco sensible al aspecto técnico, pero al ser el sistema de los EE.UU. le da un carácter de universalidad que obliga a su conocimiento y manejo; sus unidades son las siguientes:

TABLA 03; UNIDADES DEL SISTEMA ANGLO-AMERICANO.

M

MAAGGNNIITTUUDDEESS UNIDADES SÍMBOLO Multiplicar por: PARA PASAR A:

Masa Pound = libra p = lb 0,45359 Kilogramos.

Longitud Inch = pulgada in. 25,4 Milímetros.

Tiempo Segundo s.

Intensidad eléctrica Ampere A.

Temperatura Gr. Fahrenheit ºF. 5/9x(ºF-32) ºCentígrados Intensidad luminosa Candle cd.

Superficie Pulgada2 in2 6,452 cm2

Volumen Pulgada3 in3 16,387 cm3

Densidad Libra x pie3 lb/in3 27,68 g/cm3

Velocidad Millas x hora mph 1,6093 km/h.

Aceleración Pie x seg2. ft/s2 30,480 cm/s2

Fuerza Libra-fuerza lbf 4,4482 Newton

Presión o tensión Libra x pulgada2 ps i 0,07031 kgf/cm2

Caudal Galones x min. GPM 3,785 dm3/mn.

Viscosidad cinemática Stokes st 0,0001 m2/s

Viscosidad dinámica Libra x seg./ pie2 lbf-sec/ft2 47,8803 Pascal/s2

Trabajo, energía Libra x pie ft-lbf 1,3558 Julios

Cantidad de calor British termal unit BTU 1.054,2 Julios

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04 LAS MAGNITUDES PRINCIPALES.

Se describen tan solo las magnitudes más usuales de los sistemas ya indicados.

04.1 La longitud.

La unidad fundamental de medida de la distancia entre dos puntos, es el metro, que desde el 1.799 se definía como la diezmillonésima parte de un cuadrante del meridiano terrestre, comprendido entre el Polo Norte y el ecuador, se define así en el S.I; “el metro es una longitud igual a 1.650.763,73 longitudes de onda, en el vacío, de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2pe y 5ds del átomo de criptón 86”.

En elsistema anglo-americano, la unidad de medida es la pulgada ⇔ “inch” = 25,4 mm.,

se representa con dos comillas como superíndice de la magnitud; es decir 1” , también se emplean las fracciones de pulgada como 15/16” 7/8”, 3/4”, 5/8”, 1/2”, 3/8”, etc., y en los últimos tiempos, los decimales de pulgada.

? Su múltiplo es el pie ⇔ “foot” = 12” = 304,8 mm. El pie se representa con una sola

comilla como superíndice de la magnitud; un pie ⇔ foot = 1’.

? El múltiplo de pie es layarda “yard”, que tiene 3’. También se emplean otras unidades de longitud, como son:

- La milla terrestre = 1.609 m.

- La milla náutica =1.851, 85 m. (40.000/360º x 60), es decir un minuto de grado sexagésimal, medido sobre el ecuador (40.000 km); estas dos ultimas magnitudes no serán empleadas durante el curso.

04.2 El área o superficie.

Es una magnitud derivada, de la unidad fundamental de longitud; la unidad de medida es el

metro cuadrado ⇔ m2, que es el área de un cuadrado de 1,0 m. de lado.

En el sistema anglosajón, la unidad de superficie, es la pulgada cuadrada ⇔ “square

inch” = 6,452 cm2., su múltiplo es el pie cuadrado ⇔ “square foot” = 0,09290 m2.

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04.3 El volumen.

El contenido o volumen de cualquier cuerpo es otra magnitud derivada de la longitud; se mide en metros cúbicos ⇔ m3.

En el sistema anglo-americano la unidad que más se utiliza para el volumen es el galón, si bien debemos distinguir dos tipos de galones:

Æ_“_{Imperial gallons}_{” (ingles) = 4,546 litros.} Æ_“U.S. gallons_{” (americano) = 3,7854 litros.}

Como múltiplo tenemos el barril “barreel”, cuya capacidad varia, (s/ contenido) y que tiene 31,5 galones = 0,11924 m3, o42 galones = 0,15899 m3, si es de hidrocarburos (oil); el de whisky tiene 45 galones. Además de estas unidades se utilizan:

? La pulgada3 ⇔ “cubic inch” = 0,016387 litros. ? El pie3 ⇔ “cubic foot” = 28, 317 lts.

04.4 La velocidad y la aceleración.

La velocidad de un cuerpo que se mueve, es la longitud que ese cuerpo recorre en una unidad de tiempo; en el S.I., esta magnitud se expresa en m/s., también se utiliza el km/h. En el sistema anglo-americano las unidades que mas se utilizan para expresar la velocidad a nivel técnico son:

- El pie por minuto ⇔ “ft/min” = 0,3048 m/min.

- La milla por hora ⇔ mph = 1,609

km/h.-* En menor medida se utiliza el pie por segundo ⇔ “ft/sec” = 0,3048 m/s.

Laaceleración es la variación de la velocidad en la unidad de tiempo (V = V0 + a t); si un

coche aumenta su velocidad en 5 m/s cada segundo, se dice que tiene una aceleración de 5 m/s2., si en un momento dado se movía a 72 km/h, es decir a 20 m/s, y tiene una aceleración de 5 m/s2, las velocidades que tendría serían:

Ú_{Al principio 20 m/s;} ≡ (72 km/h).

Ú_{Al final del primer segundo; V = 20 + (1 x 5) = 25 m/s;} ≡ (90,0 km/h ).

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Ú_{A1 final de 60 segundos; V = 20 + (60 x 5) = 320 m/s (1.152,0 km/h ).}

El aumento cada segundo, de la velocidad con la que un cuerpo cae desde cualquier altura, es lo que se llama “la aceleración de la gravedad”, o “gravedad” y vale 9,81 m/s 2.

En el sistema anglo-americano la unidad que mas se utiliza para expresar la aceleración en el ámbito técnico es el pie por segundo2 ⇔ “ft/sec2” = 0,3048 m/s2.

04.5 El caudal.

Es una magnitud derivada de la velocidad; el caudal que circula por una tubería; representa el volumen de agua, combustible, gas o vapor, que pasa por una sección de la tubería en la unidad de tiempo; se puede medir en m3/h, m3/s, dm3/s, etc.

En el sistema anglosajón, se utiliza habitualmente el galón, por ello el caudal suele ser expresado en “gpm”, es decir, galones por minuto, también se utiliza el termino de

barriles por hora ⇔ bph, o por día ⇔ bpd, etc.

Si dividimos el caudal por la sección de la tubería, el resultado nos da la velocidad con que se mueve cualquier partícula de líquido por la tubería.

04.6 La masa y sus magnitudes derivadas.

Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo; la unidad de medida en el sistema internacional, es el kilo, y su definición hace referencia al cilindro prototipo de platino e iridio que se encuentra en Breteuil; el kilogramo masa, es la masa del prototipo de platino iridiado, sancionado por la III Conferencia General de Pesas y Medidas en 1901, es un concepto teórico que no será utilizado en el Ciclo.

Las magnitudes masa y sus derivadas fuerza y peso están relacionadas; se sabe que un cuerpo por sí solo no se mueve, que para moverlo ha y que aplicarle una fuerza, empujarle, tirar de él, realizar un esfuerzo, que puede ser muscular, o motriz, mediante una máquina.

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La fuerza más conocida es el peso, es decir, la fuerza de gravedad, o lo que pesan los cuerpos, es la fuerza con que atrae la tierra a todos los cuerpos; esta atracción depende de la masa de la tierra; si estuviésemos en otro planeta el peso sería distinto. En la luna, los cuerpos pesan menos porque la luna tiene menos masa que la tierra; la aceleración que imprime la atracción terrestre a todos los cuerpos, es la aceleración de la gravedad, que como vimos vale 9,81 m/s2.

E1 peso de 1 kg de masa, se le llama un kg de fuerza (kgf), o de peso, o un kilopondio (kp); por lo tanto, el peso de un kg. de masa (en la tierra) es de, 1 kg x 9,81 m/s 2 = 9,81 Newton = 1 Kp. Esta es la unidad de fuerza más utilizada, que muchas veces se escribe Kg

simplemente, o bien kgf, para distinguir la “f” de fuerza.

En el sistema internacional, la unidad con que se mide la fuerza es el Newton; e1 cual puede definirse como; “La fuerza que es necesaria aplicar a un cuerpo de 1 kg de masa, para producir en él, una variación de la velocidad que tenía, de un m/s cada segundo”, es

decir, que adquiera una aceleración de 1 m/s2.

En el sistema anglosajón, la unidad de fuerza es la libra (pound force) = 4,448 N., la unidad de masa en este sistema es la libra (pound) = 0,45359 kg., sus múltiplos son:

- La tonelada corta (short ton.) = 2.000 lbs = 907,2 kg. - La tonelada larga (long ton.) = 2.240 lbs = 1.016 kg..

04.7 La densidad y el peso específico.

Se tiene la noción intuitiva de la existencia de unos cuerpos más densos y más pesados que otros, el plomo frente al hierro y la paja respecto al agua, son una referencia clara.

Æ Densidad, (d), es la masa que tiene el cuerpo por unidad de volumen.

Densidad = M / V = Masa / Volumen.

Æ Peso específico, (P_e) es lo que pesa la masa por unidad de volumen, o peso del cuerpo

por unidad de volumen; por lo tanto:

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La densidad en el S.I. se medirá en kg/m3 y el peso específico en N/m3. El valor de la densidad en kg/m3 y el del peso específico, son el mismo, si este último se expresa en kgf/m3., otra unidad muy empleada es la del kgf/dm3; o kg por litro.

En el sistema anglo-americano la densidad y el peso específico se expresan en:

ÆLibras por pulgada3_{(lb per cu in).} ÆLibras por pie3_{(lb per cu ft), a 60 ºF.}

La densidad y el peso específico varían con la temperatura y con la presión; la variación es pequeña en los sólidos, algo mayor en los líquidos, que son sensibles a la temperatura, pero muy poco a la presión, la variación es muy apreciable en los gases; por eso, los valores de peso y densidad, deben referirse a unas condiciones determinadas en el S.I., que son:

Æ_{Para líquidos; 15° C y 1 atmósfera de presión.} Æ Para gases; 0° C y 1 atmósfera de presión.

Las tablas siguientes muestran algunos valores de los pesos específicos:

TABLA 04; PESO ESPECIFICO DE SÓLIDOS, @ 0° C Y 1 ATMÓSFERA.

Material Peso especifico en kgf / dm3

Aluminio 2,7

Hierro 7,85

Plomo 11,30

TABLA 05; PESO ESPECIFICO DE LÍQUIDOS, @ 15° C Y 1 ATMÓSFERA.

Material Peso especifico en kgf / dm3

Agua 0 99913

Fuel-oil 0 920

Gasóleo 0,85 a 0,90

Se observa que 1 dm3 de agua, es decir, 1 litro, pesa 1 kgf cuando está a 4° C, cuando está a más temperatura, el agua se dilata y, entonces, 1 litro de agua tiene menos masa (materia) y pesa menos, como vemos en la tabla.

(14)

En el sistema anglosajón, el peso de los líquidos se basa en el volumen del agua a 60º F (15,6 C), así, el peso de un galón americano de agua, es de 8,338 libras = 3,782 kg.

TABLA 06; PESO ESPECIFICO DE GASES, A 0° C Y 1 ATMÓSFERA DE PRESIÓN.

Material Peso especifico en kgf / m3

Butano 2,67

Propano 2,02

Aire 1,29

Metano 0,72

Las necesidades industriales han hecho que surjan otros medios de expresar la densidad y uno de ellos es el de los llamados “grados API”, cuya tabla da el peso en libras por galón a 60º F. de un determinado hidrocarburo:

Æ_{La formula es del peso del líquido respecto al agua, es = 141,5/(131,5 + ºAPI).}

Æ_{Para líquido de 42,6º API es; 141,5/(131,5 + 42,6º API) = 0,81275 kg por litro a 60º F.}

04.8 La presión y el vacío.

La presión es el resultado de una fuerza aplicada sobre una superficie; la intensidad de esa fuerza sobre cada unidad de superficie, es, lo que llamamos “presión”, obteniéndose su valor por cociente entre la fuerza y la superficie.

La figura siguiente muestra una chapa de un volumen de 5 x 10 x 20 = 1.000 dm3 = 1 m3 de volumen; si esta chapa es una aleación de plomo y hierro con un peso especifico de 10 kgf/dm3, es decir, pesaría 10.000 kgf; como vemos, las caras de la chapa tienen las siguientes superficies:

Ø Cara 1; 5 x 10 = 50 dm2 = 5.000 cm2 Ø Cara 2; 20 x 5 = 100 dm2 = 10.000 cm2 Ø Cara 4; 20 x 10 = 200 dm2 = 20.000 cm2

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La chapa, puede estar apoyada sobre 1 de sus caras, es decir, en cualquiera de las 3 posiciones de la figura siguiente.

Figura 02; Posiciones posibles de la chapa de acero y plomo.

La presión que se ejerce sobre la superficie de apoyo será, inversamente proporcional al área en que se apoya, siendo sobre la cara j el doble que sobre la k y ésta a su vez, el

doble que sobre la m como consecuencia de que la misma fuerza se reparte sobre una

superficie mayor:

jÚ_P₁_{= 10.000/5.000 = 2 kgf/cm}2

kÚ_P₂_{= 10.000/10.000 = 1 kgf/cm}2

mÚ P₄ =10.000/20.000 =0,5 kgf/cm2

Figura 03; El principio de Pascal.

La transmisión de la presión en un líquido, se basa en el llamado “principio de Pascal”; según el cual, “la presión ejercida sobre un líquido se transmite por igual, y en todas direcciones, en la masa del liquido”, lo cual se puede comprobar experimentalmente, de acuerdo con lo que se ve en la figura siguiente y que básicamente es que sí, sobre el émbolo j aplicamos. una fuerza de 10 kgf, sobre la cara S1 tendremos 0,1 kgf/cm2 de

presión, esta presión se transmite por toda la masa de agua, y en la cara S2 del embolo k

tendremos la misma presión.

Con la presión de 0,1 kgf/cm2, se ejercerá una fuerza F2 sobre el embolo k, que será: F2 = 0,1 kgf/cm2 x 1.000 cm2 = 100 kgf.

Es decir, podremos levantar un peso diez veces mayor, porque somos capaces de ejercer una fuerza 10 veces mayor debido a que la superficie de la cara S2 es 10 veces mayor que

la superficie de la cara S1, y porque la presión ejercida en S1 se ha transmitido en todas

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Si suponemos que 2 recipientes están igual de llenos, ¿que presión hay en los puntos A y B?, la misma.

Figura 04; La presión según la altura.

Si no se suma la presión atmosférica, la presión que se ejerce sobre las paredes en B, o sobre A, sólo se debe al peso de la columna de líquido sobre esos puntos. La Presión no depende de la masa de líquido, sino de la altura de la columna de liquido que gravita por encima del punto, y de su peso específico; muchas veces, esa presión se mide según ha o

h b, es decir, según la columna de líquido; así se dice 7 metros de columna de agua (7

m.c.a.), lo que significa que en el punto en cuestión existe una presión tal, que es como si sobre él se apoyase una columna de 7 m.

Que el aire pesa lo demuestra la experiencia de la figura adjunta; se llena un tubo de mercurio, se invierte y se cierra por un depósito con Hg; el nivel de Hg empieza a bajar hasta que se estabiliza; cuando se detiene, la diferen-cia de nivel con la superficie del depósito es de 760 mm.

Figura 05; Experimento que determina la presión atmosférica.

La columna de mercurio no baja más, porque sobre la superficie del depósito se está ejerciendo una presión PA que se transmite por el liquido hasta la salida del tubo, y es tal

que soporta y equilibra el peso de, 760 mm de columna de mercurio; esta P A = presión de

760 mm de Hg, es lo que se llama presión atmosférica normal o “standard”, que tiene ese valor al nivel del mar, y cuando vamos subiendo en altitud disminuye, porque hay menos altura de columna de aire sobre nosotros. A la altura de 1 mm. de columna de Hg, también se le llama Torr.

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Teniendo en cuenta los pesos específicos del agua y del mercurio, si la experiencia se hubiese realizado con agua a 15 °C, la columna sería de 10,33 metros; por lo tanto:

Æ 1 atmósfera estándar = 760 mm.c.Hg. ≡ 10,33 m.c.a. ≡ 1,033 kgf/cm2.

10 metros de columna de agua a 15° C ejercen una presión de 1 kgf/cm2.

Æ_{A la cifra de 1 kgf/cm}2_{= 1 Kp/cm}2_{, se le denomina también} “atmósfera técnica”.

La presión atmosférica, que se ha señalado como PA en la figura precedente y que a partir

de aquí llamaremos Pa , no solamente se ejerce sobre la superficie del líquido sino sobre

todo el recipiente, es decir, sobre toda la superficie de los dos cuerpos; así, en el punto B de la figura 07.05 existen las siguientes presiones:

Æ_{En la cara interna, en contacto con el agua; la P}_a_{que se transmite desde la superficie}

libre del líquido y el peso de la columna h b de líquido.

Æ En la cara externa; solamente la presión P_a del exterior.

Por tanto, la presión que realmente se tiene que soportar en el punto B es la de la columna h b de liquido, ya que la atmosférica se anula, por ser de sentido contrario en uno y otro

lado;. a esta presión, se le llama presión relativa (Pr ), o presión efectiva; es la que medida

por el manómetro; es la que interesa realmente para los cálculos.

Si el recipiente está vacío, la envolvente no soporta ninguna presión, pues la presión atmosférica (Pa) está en ambas caras, por dentro y por fuera.

La presión absoluta (PA) es igual a la presión relativa, incrementada en el valor de la

presión atmosférica; PA = Pr + Pa. Es decir, la presión relativa y el vacío relativo, son las

fatigas que realmente tienen que soportar los equipos y tuberías, por eso se llaman presiones o depresiones efectivas.

Si en el émbolo de la figura se hace un esfuerzo P tirando del pistón, en el interior del cilindro irá disminuyendo la presión señalada por el manómetro M.

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Se puede conseguir que la presión llegue a disminuir por debajo de la atmosférica (P a = 760

mm.c.hg.), en ese momento, el manómetro M, marcará una presión negativa, si su escala era de 0 para la atmosférica, o por debajo de 760 mm de hg., si su escala tiene términos absolutos; es decir, a la cantidad que señale por debajo de 760 mm.c.hg., se le llama vacío; al recipiente se le dice que está sometido al vacío

El valor del vacío que interesa, es la cuantía en que este está por debajo de la presión atmosférica, es decir, la medida relativa, la que marca el manómetro, o vacuómetro.

La palabra vacío la define el diccionario de la RAE, como “espacio que no contiene aire ni otra materia perceptible por medios físicos ni químicos” técnicamente es imposible llegar a esta situación en un recipiente, por lo cual, en la práctica se define el vacío como un espacio que contiene un gas sometido a una presión inferior a la atmosférica:

0,0 mm.c.hg < Presión en el interior del recipiente < 760,0 mm.c.hg = 1.013,0 mbar Los aparatos de medida, indican la presión por referencia al cero, que suele ser el que se toma en escala para la presión atmosférica, es decir, por referencia al valor de la presión atmosférica, ya sea para valores por encima o debajo de esta; el manómetro M, marcará una presión negativa, si su escala era de 0 para la atmosférica, o por debajo de 760 mm de hg., si su escala tiene términos absolutos; es decir, a la cantidad que señale por debajo de 760 mm.c.hg., se le llama vacío.

El vacío que se ha llegado a obtener es del orden de 10-16 mbar, este bajo nivel de vacío determina que el campo de uso del vacío se divida en 4 clases, niveles, o zonas:

? Vacío grueso; la presión se encuentra entre; 1,0 y 1.013

mbar-La densidad molecular está entre; 1016 y 1019 moléculas/cm3 ? Vacío medio; la presión se encuentra entre; 1,0 y 1•10-3 mbar

La densidad molecular está entre; 1013 y 1016 moléculas/cm3 ? Ultra vacío; la presión se encuentra entre; 1•10-3 y 1•10-7 mbar

La densidad molecular está entre; 1013 y 109 moléculas/cm3 ? Ultra-alto vacío; la presión se encuentra por debajo de 1•10-7 mbar

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En el sistema internacional, la unidad con que se mide la presión es el Pascal; e1 cual puede definirse como; “La presión que se provoca cuando se aplica la de fuerza de un Newton, sobre una superficie de 1,0 m2., esta presión es tan pequeña, 0,000010197 kg/cm2,

que se utiliza el kiloPascal (kPa) = 1.000 Pa; o el megaPascal (mPa) = 1.000.000 Pa; 1,0 kg/cm2 = 98,066 kPa.

En la práctica las unidades empleadas para la medida de la presión, son: - El kilogramo por centímetro cuadrado, o kg/cm2.

- La atmósfera (técnica) ≡ 1 kg/cm2.

- El metro de columna de agua (m.c.a) ≡ 0,1 kg/cm2.

- El milibar para el vacío.

En el sistema anglosajón, la unidad de presión es la libra (pound force) por pulgada cuadrada (square inch) = 0,07031 kg/cm2, también llamada PSI y representada por el símbolo #.

En este sistema también es utiliza como unidad de presión la libra (pound force) por pie cuadrado (square foot) = 0,0004882 kg/cm2, también llamada lbf/ft2.

04.9 Energía, Trabajo, Potencia, Calor y Temperatura.

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos, para producir un efecto; para su manifestación, adopta diferentes formas; por ejemplo, un volante que gira, o un coche que se mueve, pueden producir el efecto de arrastrar un cuerpo; una barra de acero caliente puede quemar, producirá un efecto de subida rápida de la temperatura en el otro cuerpo.

La materia está formada por átomos, cada sustancia tiene una determinada estructura atómica, para dicha materia, además, esos átomos y las partículas electrónicas que a su vez componen los átomos, se mueven continuamente, si bien este movimiento no es apreciable a simple vista, salvo en sustancias gaseosas, y vapores; la energía que tienen los cuerpos procede, de la naturaleza, orden y movimiento atómico; es la única energía existente en los

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Lo que interesa técnicamente, para su posible utilización, es la energía capaz de producir un trabajo; el concepto de trabajo está siempre ligado al movimiento, ya que el trabajo, es el efecto que produce una fuerza que se mueve; por ejemplo, el tractor que arrastra un remolque, realiza un trabajo, como consecuencia de que el peso del remolque, se mueve a lo largo del camino.

Si la energía interna de los cuerpos, es la forma real de energía, las demás, son formas que adquiere la energía interna, al pasar de un cuerpo a otro, o el cuerpo de una posición, a otra; a la parte de la energía que se debe a la posición, o situación relativa del cuerpo, se le denomina energía potencial.

Sí, un vehículo pasa del punto (A) al (B) de la figura, subiendo la rampa, ha consumido carburante para ello; en el punto (B), el vehículo tiene más energía potencial.

Figura 06. Esquema de la energía potencial.

Esto de debe a que “en potencia” puede producir un mayor efecto que en el punto (A), si se mueve en sentido descendente, ya que puede bajar otra cuesta; la energía del combustible, ha pasado a ser energía potencial en el punto (B); mientras el vehículo se movía, se realizaba un trabajo, el cual consumía la energía interna del carburante.

Si la energía es la capacidad para producir un trabajo, la potencia es la medida del trabajo por unidad de tiempo; la potencia de un motor térmico o eléctrico, es la capacidad de este para producir trabajo definido, por unidad de tiempo; si el efecto que se produce es calor, la potencia se denomina potencia térmica, por ello la potencia térmica de una caldera, es su capacidad de producir calor por unidad de tiempo, es decir, el calor y el trabajo, son formas de energía; la energía interna que poseen los cuerpos debido al movimiento de sus átomos, se denomina calor.

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La unidad del trabajo en el S.I., es el Julio, (1 J = N x m), que es el trabajo que realiza una fuerza de un Newton, al desplazarse a lo largo de un metro. En la practica se utiliza el kilogramo metro (kg. x m).

En el sistema anglosajón, la unidad de trabajo es el pie-libra o foot-pound force. 1 Pie-libra o foot-pound force = 0,13825 kgfm.

La unidad de potencia en el S.I., es el vatio; W = Julio/seg, que es la potencia de una máquina capaz de realizar el trabajo de un Julio, cada segundo; es decir, el trabajo que realiza una fuerza de un Newton, al desplazarse a lo largo de un metro, en un segundo de tiempo; también se utiliza el kilovatio (kW).

En el sistema anglosajón, la unidad de potencia es caballo de vapor (horsepower); 1Hp = 550 ft-lb per sec = 0,7457 kW.

El calor es la forma que toma la energía, al pasar de un cuerpo a otro, dando lugar a una diferencia de temperatura. Cuando se calienta el agua en una caldera, la energía interna del combustible ha pasado al agua, porque ésta estaba más fría. Esta forma de energía, llamada energía calorífica, o calor, se puede comprobar que, para que se produzca en la practica, que es necesario un gasto energético. Ejemplos de ello son; un cojinete que se calienta porque existe rozamiento, es decir, se gasta, o efectúa un trabajo; una resistencia eléctrica

calentara si consume, o gasta electricidad (efecto Joule); la llama de un quemador produce calor en el hogar de la caldera, porque al quemarse el combustible, en el proceso químico de la combustión, se libera su energía.

La unidad de calor, o energía calorífica, en el S.I., es el Julio, que como se ha indicado, equivale al trabajo que realiza una fuerza de un Newton, al desplazarse a lo largo de un metro; en la practica se utiliza la caloría, 1 J = 0,239 cal., y la kilocaloría; 1 kcal = 4.186,8 Julios., la kilocaloría es la cantidad de calor que hace falta suministrar a la masa de un kg. de agua destilada, para elevar su temperatura, de 4,5 °C, a 5,5 °C.,

En el sistema anglosajón, la unidad de calor es la “British Thermal Unit”, o BTU. 1 BTU = 1.055,0 Julios; 1 BTU = 0,252 kcal.

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La transformación energética, a veces provoca una diferencia de temperatura, cuando pasa de un estado a otro, por efecto de una aportación, o cesión de calor, siendo, por tanto, la temperatura, una forma de medida del contenido del calor de los cuerpos.

Por ello, puede uno preguntarse, ¿al recibir la misma cantidad de calor, todos los cuerpos aumentan su temperatura lo mismo? La respuesta es negativa; ya que para elevar un grado la temperatura de un kg. de agua, se precisa una kcal., como se indico con anterioridad, pero para elevar ese mismo grado, la temperatura de un kg de vidrio, tan solo se precisan

0,192 kcal; por ello, se define como calor especifico de las sustancias, la cantidad de calor que hay que añadir a la unidad de masa, o volumen, para aumentar su temperatura en un grado. La tabla da algunos valores del calor especifico.

Tabla 07; CALOR ESPECÍFICO EN kcal/kg °C

Material: Calor esp. Material: Calor esp. Material: Calor esp.

Mercurio 0,033 Fundición 0,130 Estaño 0,056

Agua 1,000 Acero 0,112 Vidrio 0,192

Alcohol 0,700 Bronce 0,086 Cinc 0,096

Gasóleo 0,490 Plomo 0,031 Hierro 0,114

* El calor específico del aire es 0,30 Kcal/m3 °C.

El agua tiene una elevada capacidad calorifica, (por el valor de su calor especifico); así, para pasar de 10º C, a 50 °C, 10 kg de agua, hacen falta; (50° - 10°) x 10 x 1 = 400 kcal.

Æ Pero si los 10 kg fuesen de hierro, necesitaríamos; (50° - 10°) x 10 x 0,114 = 44,6 kcal.

Es decir, para elevar una misma cantidad de masa, de agua, que de hierro, hasta la misma temperatura, la masa de agua requiere; 1/0,114 = 8,77 veces más calor.

Æ_{A la inversa, cuando un kilo de masa de agua, baja su temperatura un grado, es porque}

ha cedido, o se ha desprendido de una kilocaloría, y si la masa fuese hierro, se desprenderían solamente, 0,114 kcal.

El calor siempre se transmite de forma natural del foco caliente, al foco frío; una vez que el calor pasa al otro cuerpo, éste ultimo tiene más energía interna y mayor temperatura, y es la temperatura, una de las formas de medir, por referencia de nivel, este contenido de

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energía; la sensación de calor, o frío, que sentimos en nuestro cuerpo cuando nos encontramos al aire libre, o en el interior de un determinado recinto, es debida al calor, o a su ausencia.

Para transportar calor, convienen sustancias que, como el agua, tengan un elevado poder calorífico (calor específico), ya que puede transportarse el mismo calor, con menos masa, que con otra sustancia que tuviese menor color especifico; por ello, entre otras razones, que se usa el agua para transportar calor desde la sala de calderas a los radiadores de una instalación de calefacción, etc.

Las formas en que el calor se puede transmitir de un cuerpo que esta a mayor temperatura, a otro que tiene una temperatura menor, son tres:

? Por conducción. ? Por convección. ? Por radiación.

Todas estas formas de transmisión se dan en la técnica de la transmisión de calor, calefacción, etc., la mayor parte de las veces, la transmisión de calor de un cuerpo a otro, o con respecto al ambiente, tiene lugar por dos, o por las tres formas de transmisión, simultáneamente. La transmisión del calor por conducción, es la forma de transmisión, en la que el cuerpo que cede el calor, está en contacto directo con el que lo toma; por ejemplo, una barra de hierro en contacto con una llama; la mano que soporta la barra termina por notar el calor, que a través de la barra se ha transmitido desde la llama, hasta la mano.

El calor se ha ido transmitiendo por contacto de molécula a molécula, (conducción) desde la llama (foco caliente) a través de la barra (cuerpo conductor) hasta la mano (foco frío); la transmisión no fue instantánea, ya que la mano tardó en notar el calor, y algo más en que este hiciese insoportable el contacto; debemos considerar que existe una “velocidad de transmisión del calor”, unos cuerpos lo transmiten más velozmente que otros, o lo que es lo mismo, ofrecen menos resistencia al paso del calor a su través, que otros; esta propiedad, o característica intrínseca de los cuerpos, se llama CONDUCTIVIDAD TERMICA, y se expresa en Kcal/h °C m., viniendo a ser la cantidad de calor que por grado de diferencia de temperatura, y metro de espesor del material, atraviesa ese espesor, en una hora.

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Los cuerpos llamados buenos conductores del calor, tienen un elevado valor en su CONDUCTIVIDAD TERMICA, mientras aquellos que tienen un bajo coeficiente de conductividad, se les llaman, aislantes térmicos; por ejemplo; para evitar que se pierda calor por una tubería de acero, se protege ésta, revistiéndola con una capa perimetral de aislamiento térmico. La tabla siguiente da los valores de este coeficiente, representando comúnmente por λ (lambda), para algunos materiales.

Tabla 08; CONDUCTIVIDAD TÉRMICAλ de algunos materiales en Kcal/h °C m.

Material: Conductividad

λ:

Material: Conductividad

λ:

Aluminio. 175,0 Amianto 0,14

Acero y Fundición. 50,0 Arena 0,50

Bronce. 55,0 Mortero de cemento 1,20

Cobre. 330,0 Hormigón celular sin oxidos 0.08

Estaño. 50,0 Enlucido de yeso 0,26

Plata. 354,0 Ladrillo macizo 0,75

Plomo. 28,0 Ladrillo hueco. 0,42

Cinc. 95,0 Vidrio celular 0,038

Placas de escayola. 0,26 Contrachapado 0,12

Arcilla expandida; (300 kg/m3) 0,073 Tablero aglomerado 0,07 Espuma de urea - formol. 0,03 Moquetas y alfombras 0,04 Espuma de poliuretano (35 kg/m3) Densidad = 40 kg/m3 Densidad = 80 kq/m3 0,020 0,020 0,034 Fibra de vidrio (19 - 30 kg/m3) Densidad = 66 - 90 kg/m3. Densidad = 91 kg/m3. 0,032 0,028 0,031

La transmisión del calor por convección, podemos apreciarla si colocamos una vasija de cristal llena de agua sobre un fuego podemos observar el siguiente fenómeno; por el centro del recipiente, el agua sube a la superficie, y por las paredes el agua baja de la superficie hacia el fondo; se observará mejor el fenómeno si echamos en el agua una pastilla de colorante, que se vaya diluyendo a medida que se calienta el agua del recipiente; se observarían así las corrientes,¿qué es lo que ocurre? que el agua más caliente del fondo, en contacto con el fuego, pesa menos y tiende a subir hacia la superficie, provocando que el agua de la superficie, en contacto con el ambiente pierde calor y desciende por la periferia del recipiente.

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El agua al subir transporta el calor evidentemente, transmitiéndose el calor de esta manera por esas corrientes llamadas de CONVECCION. La transmisión del calor por convección, tiene lugar siempre con transporte y movimiento de materia. Este transporte de calor es el causante de que el agua de las antiguas instalaciones de calefacción por termosifón se moviese desde la caldera a los radiadores; el transporte de calor de estas instalaciones era por convección dentro del fluido agua de la instalación. Lo mismo ocurre con el calor que pierde una pared de un edificio con el ambiente, o que gana calor.

En la cara interna, Las corrientes de convección tienen un movimiento contrario a las agujas de un reloj porque el aire caliente al ponerse en contacto con la pared se enfría y cae, mientras que en la cara exterior del muro, el muro está más caliente que el ambiente y el aire se calienta en su contacto subiendo y robando el colar del muro; en la cara interna, el muro gana calor y en la externa lo pierde. Lo descrito hasta ahora, se llama CONVECCION NATURAL.

Cuando se fuerza por algún medio el movimiento del fluido sobre la pared, hacienda que las corrientes sean más activas, se llama CONVECCION FORZADA. Es lo que ocurre cuando hace aire en la cara externa de un muro, se pierde más calor porque se va renovando más rápidamente, las láminas de aire caliente en las proximidades de la superficie del muro. La transmisión de calor por convección, responde a leyes muy complejas y depende de la naturaleza del fluido, su velocidad respecto a la superficie, la naturaleza de la superficie que puede oponer más o menos resistencia a que sea lamida por el fluido, etc. El coeficiente de transmisión por convección, se representa por α (alfa),

y tiene las mismas dimensiones que C, es decir, Kcal/h m2 °C.

Q =α • (t₁ - t₂),

Siendo t1 y t2 las temperaturas de la superficie y del fluido, respectivamente

El color se transmite además de por contacto y por movimiento de materia; por Radiación; la radiación es una emisión de calor que en forma de onda térmica, que incluso se transmite en el vacío, sin necesidad de soporte material, su intensidad es función de la diferencia de temperatura entre el emisor y el receptor, por ello cuando dos superficies están a la misma temperatura, anulan sus respectivas emisiones.

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La transmisión global de calor en la realidad, nunca es de un manera pura solamente, si no por varias formas combinadas, de CONDUCCIÓN, CONVECCION y cuando hay una elevada diferencia de temperatura, por RADIACIÓN. La transmisión y pérdida de calor, entre la superficie del un muro de un edificio, o la superficie de una tubería, y el aire ambiente tiene lugar simultáneamente por convección y radiación. y al coeficiente de transmisión se le llama “h”.

Un ejemplo importante de la transmisión global en calefacción es la emisión de calor por los radiadores. Los distintos elementos de emisión de calor tienen esta misión repartida entre las formas de radiación y convección. En los radiadores clásicos, este reparto es del 80 % para convección y del 20 % para radiación.

Uno de los EFECTOS DEL CALOR, es que todos los cuerpos al ganar calor aumentan su temperatura, salvo que se encuentren en el punto de cambio de estado físico, ese aumento de temperatura supone también el aumento del volumen de los cuerpos; todos los cuerpos se DILATAN aumentando su volumen por efecto de la ganancia de calor. Esta dilatación tiene lugar en todas direcciones y sucede tanto en los sólidos y en los líquidos como en los gases y vapores, provocando:

? La dilatación lineal de las tuberías.

? El aumento de volumen y la presión del liquido contenido en la instalación. ? El incremento de presión en las instalaciones con gases.

? La producción de vapor o cambio de estado.

Consideremos que por un radiador circulan 50 lts. de agua por hora (+/- 50 kg/h.), y que la temperatura de entrada (Te) es de 85 °C, si el radiador se ha elegido (s/ catálogo) para un salto de 20 °C, la temperatura de retorno (Tr) será 65 °C; la emisión de calor, o potencia calorífica cedida por el radiador será; 50 kg/h x (85° - 65° = 20) x 1 Kcal/kg ºC = 1.000 Kcal/h. Cuanto más baja sea la temperatura de salida, respecto a la temperatura de entrada, más potencia calorífica será cedida al ambiente y viceversa; por ello, si, si el radiador, es más pequeño, es decir tiene menor superficie, y por ello el agua solamente se enfría 10 °C, saliendo a 75 °C, la emisión de calor en este caso será de; 50 x (85° - 75° = 10) x 1 = 500 Kcal/h.

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Finalmente, si un equipo precisa evacuar 500.000 kcal/h, y disponemos de un intercambiador que permite un salto térmico; ∆t = 20 °C, el caudal másico (Q) en kg., que

tendrá que circular por el equipo, será aquel que bajando 20° C, sea capaz de ceder esa potencia calorífica, es decir, considerando el uso de agua, tendremos:

Q (kg) x 20 °C x 1 kcal/kg ºC = 500.000 kcal/h. ⇒

⇒ Q (kg) = 500.000 kcal/h / 20 °C x 1 kcal/kg ºC = 25.000 kg/h.

Si consideramos que 1 kg de agua ⇔ 1 litro, el caudal que circulara será de 25 m3/h.

La temperatura es una unidad fundamental en el S.I., la unidad de medida en este sistema, es el grado kelvin (ºK), que es la medida de la escala absoluta o termodinámica; la temperatura más baja, que teóricamente puede existir, es la de - 273,16 °C, pero nunca se ha podido realmente alcanzar, a esa temperatura se le denomina técnicamente CERO ABSOLUTO (teóricamente cesaría la actividad atómica).

En la figura 07, vemos que se asignan al punto de fusión del hielo (A), el valor de 273 °K, realmente son 273,16 °K, por lo tanto, 0 ºC = 273,16 °K, y al punto (B), correspondiente a

la ebullición del agua, se le asigna el valor de 373 °K (100 °K más), como en el caso anterior, el valor real es de 373,16°K, manteniéndose la diferencia de 100 ºK.

El salto térmico correspondiente al grado Kelvin, o absoluto, es igual al del grado centígrado; para diferenciar las escalas, se suele denominar con “T” la temperatura absoluta, o termodinámica.

Las escalas termométricas, o de temperatura, se definen por dos puntos fijos que representan valores atribuidos arbitrariamente a dos cambios de estado físico del agua; la fusión del hielo y la ebullición del agua; ambos a la presión atmosférica (760 mm de Hg.).

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La escala centígrada (°C) normalmente utilizada en procesos industriales en Europa, asigna el valor de 0 °C al punto de congelación del agua o de fusión del hielo; es el punto inferior A. El punto B, es el de la ebullición del agua, que la escala le asigna el valor de 100 °C; la escala se divide en 100 partes iguales, correspondiendo cada una de ellas a UN GRADO CENTÍGRADO (°C), las temperaturas por debajo de 0 °C, se denominan “bajo cero”, o negativas, conservando el mismo valor del grado, y la misma longitud de escala. La escala Fahrenheit es utilizada en el mundo anglosajón, y asigna el valor de 212 ºF, al punto de ebullición del agua (B), y el valor de 32 ºF, al punto (A), de fusión del hielo; la escala, del punto (B) al punto (A), se divide en 180 partes iguales (212 - 32 = 180 ºF) correspondiendo cada una de ellas a un grado Fahrenheit (°F); siendo igual la longitud del segmento AB, el °C refleja mayor salto de temperatura que el °F, ya que 100 ºC = 180 °F,

por ello puede indicarse que:

1 ºC = 1,8 °F.

1 ºF= 5/9 °F.

Para pasar de una escala a otra se emplean las fórmulas siguientes: t ºC = 5/9 (t °F - 32).

t ºF = 1,8 t °C + 32.

Los cero °F serán en la escala centígrada; t ºC = 5/9 (0 °F - 32) = 5/9 x - 32 = -17,78 °C.

05 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS Y ACCESORIOS.

Los que suelen manejarse en los planos e isométricas para sistemas de tuberías, son:

Æ_{Productos tubulares o tuberías de acero.}

Æ_{Métodos de unión para tuberías, como bridas, juntas, tornillos y/o pernos, etc.}

Æ_{Accesorios para cambio de dirección como codos y tés, así como manguitos, tapones, etc.} Æ Accesorios para picajes; “thredolets”, “socklets”, etc.

Æ_{Válvulas de diversos tipos para las distintas funciones.} Æ Filtros y Purgadores o trampas de vapor.

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Estos elementos y accesorios se fabrican según unas normas congruentes, con objeto de que sean dimensionalmente inter.-cambiables, y todos ellos, jun-to con una serie de equipos, se conocerán a lo largo de este curso.

Figura 08; Accesorios para las tuberías.

06 PRODUCTOS TUBULARES DE ACERO.

Los productos tubulares se clasifican en dos tipos básicos:

Æ_{TUBOS; se denominan así cuando su diámetro es menor de 1/8”; estos elementos se utilizan}

en instrumentación y otros usos, por lo que no serán objeto de estudio en este curso.

Æ_{TUBERÍAS; también denominadas ”pipes”; su forma y configuración nos es familiar, su}

procedimiento de fabricación variara según el destino que pretenda dársela; así podemos obtenerlos, entre otros, del siguiente modo:

? Soldado por resistencia, en negro, p/ vapor de baja; o galvanizado, p/ agua potable . ? Sin soldadura (estirada en frío) empleada habitualmente en petroquímica.

? Extruído (utilizado en estructuras).

? Soldado helicoidalmente, para tubería de gran diámetro, utilizada en oleoductos y gasoductos.

? Fundición dúctil (usado como tubería enterrada para agua potable, o aguas residuales). Es conveniente mencionar un detalle respecto a la denominación de los productos tubulares, los técnicos que trabajan con fundición o “plástico”, se refieren a estos productos como tubos (tubes), mientras que los que trabajan con acero suelen denominar los suyos tuberías (pipes). En la práctica se consideran ambos términos como sinónimos, sin embargo el termino “piping” se aplica a los sistemas de tuberías, en lugar del “tubing”, que se aplica a los sistemas de tubos para instrumentación, engrase, etc.

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06.1 Tubos.

Son los conductos de diámetro inferior a 1/8" (10 mm); los tubos se especifican por su diámetro exterior y su espesor de pared expresado en BWG (Birmingham wire gage), o bien en decimales de pulgada. Se usan en la construcción de intercambiadores de calor

(evaporadores y condensadores), líneas de instrumentación y pequeñas interconexiones en equipos como compresores, calderas y refrigeradores; no suelen ser empleados en las isométricas de proceso, pero naturalmente, pueden ser objeto de planos isométricos, cuando son empleados en los usos indicados anteriormente.

06.2 Tuberías.

La gran variedad de materiales para la realización de tuberías, disponibles en el mercado, hace que su elección deba ser la más adecuada a las características del fluido y a las posibilidades de suministro.

Figura 09; Esquema de materiales para las tuberías.

El esquema adjunto ilustra la magnitud del tema; su examen permite apreciar que no resultaría práctico, ni posible, tratar todos ellos en este capítulo, ya que podría dedicarse un libro completo a esta importante materia.

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Además del tipo de material, para la identificación del tipo de tubería son necesarios otros datos, que complementan, en el caso de los aceros, a la descripción del material, como son: ? La forma de laminación, en caliente, en frío, etc.

? Su posible tratamiento térmico, templado y revenido o normalizado, etc.

? El acabado interior y/o exterior y su nivel de rugosidad expresado mediante los signos de mecanizado UNE 1 037-75, o ISO 1 032.

? Cualquier otra característica que tenga importancia para el uso de la tubería.

07 DIMENSIONES DE LAS TUBERÍAS.

Su tamaño lo representa el diámetro nominal, que en general se expresa en pulgadas. Es habitual designar los distintos tipos de accesorios y bridas por su tamaño nominal (diámetro) el cual es el mismo que el de los tubos con

los que vayan a usarse. Es un número redondo, útil a efectos de referencia y de carácter aproximado respecto a las dimensiones, que es común a todos los componentes de un sistema de tuberías, que admite dos posibilidades:

Figura 10; Datos representativos de la tubería.

u _“_NPS_{” (nominal pipe size), que se expresa en pulgadas, las normas ANSI B36.10 y ANSI}

B36.19 tiene tabulados diámetros, desde 1/8" hasta 44", pero se llega hasta las 70".

u “DN” (tamaño o diámetro nominal ) que se expresa en mm. desde los 15 mm. ⇔ ½”, hasta los

1.100 mm. ⇔ 44”. Se ha aceptado internacionalmente el símbolo DN para la designación de

un tamaño que es común a todos los componentes de un sistema de tuberías.

Este diámetro nominal, solo sirve para nombrar o denominar a la tubería, ya que como puede apreciarse en las tablas de características de las tuberías, hasta la tubería de ∅ 12", los ∅

exteriores son mayores que el nominal; en dicha tabla podemos ver que tampoco coincide el diámetro interior, con el tamaño nominal; ya que este ultimo varia su dimensión en función del

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espesor del tubo. Es un número útil a efectos de referencia y de carácter aproximado respecto a las dimensiones del diámetro, que admite dos posibilidades y dos tipos de medidas:

Æ_{En pulgadas (1” = 25,4 mm.); bajo las siglas “}_NPS_{” (nominal pipe size), las normas ANSI}

B36.10 y B36.19 tiene tabulados diámetros, desde el 1/8" hasta las 44", pero se llega hasta las 70"; los espesores pueden ser regidos por las Normas ANSI, ASTM o ASME.

Æ_{En milímetros; por su “}DN_{” (tamaño o diámetro nominal ); las Normas DIN 2441, 2440 y}

2448 tienen listados los tamaños desde los 6 mm. ⇔ 1/8”, hasta los 1.100 mm. ⇔ 44”. El

símbolo “DN” ha sido aceptado internacionalmente para la designación del tamaño que es que da dimensión a los componentes de un sistema de tuberías.

Como se ve en la figura precedente, en las tuberías se presenta el termino "schedule", que en función del diámetro, determina el espesor de dichas tuberías, por ello, se adjunta la relación de instituciones, que han establecido dimensiones para estos espesores.

Æ_{ANSI; que define números de "schedule" o programas de fabricación.}

Los espesores de pared definidos por números de "schedule" para la fabricación de tuberías de acero al carbono o aleado, son; 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160. Las tuberías de acero inoxidable tienen espesores correspondientes a los "schedules" 5S, 10S, 40S y 80S.

Æ_{ASME; a través de sus definiciones de "peso":} ¢_{Standard "STD" (standard weight).}

¢_{Extra fuerte "XS" (extra-strong).}

¢_{Doble extra fuerte "XXS" (double-extra-strong).} Æ_{ASTM; a través de sus definiciones de "peso":}

¢ Standard "STD" (standard weight). ¢_{Extra pesado "XE" (extra-heavy).}

¢_{Doble extra pesado (double-extra-heavy)."XXE"} Æ_{API (American Petroleun Institute).}

Mediante sus normas 5L y 5LX, estas dimensiones de fabricación no incluyen referencias explícitas entre tamaño y espesores.

Las tuberías, se fabrican básicamente mediante 2 procedimientos:

Æ _{Con soldadura longitudinal (straight-seam-welded).} Æ Con soldadura helicoidal.

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El material empleado en las tuberías de acero y aleaciones de níquel, puede agruparse de este modo:

Æ Acero al carbono. Æ_{Acero aleado.} Æ Acero inoxidable.

Æ_{Aleaciones de níquel, como; Monel, Hastelloy, e Inconel.}

07.1 Tubería en pulgadas (ANSI, ASME & ASTM).

Los tamaños que corresponden a los diámetros de 1/8", 1/4", 3/8" y 1/2" se utilizan solo en líneas de instrumentación o en conexiones a equipos, el ∅ 1/2" también se emplea en el

“traceado", llamado acompañamiento de vapor, o "steam tracing".

Los diámetros de 1 1/4", 2 1/2" y 3 1/2", deben evitarse, a veces son necesarios en la conexión a algún equipo, pero, una vez realizada la conexión, la tubería se incrementara a un ∅ nominal de uso normal. A partir del ∅ de 5", los diámetros correspondientes a los

números impares no se fabrican; por encima del ∅ de 24", tampoco todos los diámetros de

números pares son manufacturados.

Hasta la tubería de ∅ 12", los ∅ exteriores son mayores que el nominal; las tuberías de ∅

14" y mayores tienen un diámetro exterior coincidente con el ∅ nominal, es variable en

ambos casos el interior. La indicación del diámetro, no es suficiente para definir el tipo de tubería, además hay que indicar el espesor, porque el diámetro exterior permanece constante, variando el diámetro interior, como se aprecia en la figura.

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Hay varias formas de indicar el espesor de las tuberías:

Æ El nº de "schedule" (ANSI/ASA B.36.10); los espesores de pared definidos por este nº

de "schedule" pueden variar en las tuberías de acero al carbono, o aleado, desde el nº 10, al nº 160; dentro de cada diámetro.

En las tuberías de acero inoxidable el nº de “schedule” puede variar desde 5S, a 80S.

Æ_El "peso standard"_{(valido para las normas ASME/ASTM/ASA B.36.19) presenta los}

siguientes valores:

Ú Standard "STD" (standard weight); ASME y ASTM. Ú_{Extra fuerte} _"XS"_{(extra-strong); ASME.}

Ú Doble extra fuerte "XXS" (double-extra-strong); ASME. Ú_{Extra pesado} _"XH"_{(extra-heavy); ASTM.}

Ú_{Doble extra pesado} _"XXH"_{(double-extra-heavy); ASTM.}

Las tuberías de acero, se suministra en longitudes de 6,0 m., en acero al carbono puede ser suministrada con un largo de hasta 12,0 m., en acero inoxidable se suministran a partir de tramos de 3,0 m. de longitud.

Se adjuntan a continuación las tablas de las dimensiones y pesos de tuberías de acero al carbono y aleados, desde 1/8” hasta 24”, junto con la de dimensiones y pesos de la tubería de acero inoxidable sin soldadura, desde ¼” hasta 12”, esta ultima para calidades ANSI-304L y ANSI-316L.