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Flujo en dos fases

Ingeniería de Fluidos

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Ingeniería de Fluidos Profesor Juan Mario Morales Cabrera Equipo 3 Amezcua González María Martha Cisneros Salinas Alejandra Chávez Campos Daniel Fecha de entrega: 20/mayo/2016.

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Flujo en dos fases

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Flujo en dos fases Existen muchas situaciones y procesos donde deben circular simultáneamente un líquido y un gas por el interior de una conducción, siendo algunas de estas situaciones tan importantes como los generadores de vapor y condensadores. En el flujo de fluidos a dos fases, formadas por un líquido y un gas o vapor, la velocidad del gas o vapor es lo que complica el análisis. En este tipo de flujo, la velocidad del gas es generalmente bastante mayor que la del líquido, lo cual da lugar a pérdidas de energía. El cambio de la condición de la fase gaseosa a lo largo de la tubería origina pérdidas adicionales de energía. Cualquiera de las fases puede estar en condición laminar o turbulenta. Algunos de los aspectos más importantes del flujo bifásico, que cabe resaltar son: a) Se produce una separación de fases en la sección de la tubería, de forma que cada una de ellas puede circular a una velocidad diferente. b) En función de la relación del flujo másico o volumétrico de las fases, se establece un tipo de comportamiento o patrón de circulación. c) Si bien el flujo másico de cada fase no variará a lo largo de la tubería (siempre que no haya intercambio de calor), no sucederá lo mismo con el flujo volumétrico, el cual puede incrementarse para el gas a lo largo de la tubería debido a la pérdida de presión. d) Debido a la gran diferencia de densidades, hay influencia de la inclinación de las tuberías en los distintos patrones de flujo. e) Es prácticamente imposible hacer un análisis del perfil de velocidades que lleva cada una de las fases en su seno, así como es muy difícil obtener ningún dato real. El análisis del flujo bifásico se realiza por técnicas empíricas, es decir, a través de correlaciones obtenidas directamente de la experiencia. Las interacciones entre las fases líquido – vapor están influenciadas por:  Sus propiedades físicas  Flujos volumétricos  Tamaño, rugosidad y orientación de la tubería Esto ocasiona que existan varios tipos de patrones de flujo (regímenes de flujo). Cada vez que se modifiquen las condiciones de flujo, el régimen de flujo cambiará. Para cada uno de los puntos que conforman la mezcla, existe un tipo de flujo en cualquier tiempo dado. 2

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Regímenes de flujo en tuberías verticales Existen 5 regímenes principales para describir el flujo en una tubería vertical. En orden creciente de velocidad del vapor: 1. Flujo Tipo Burbuja: El tamaño, número y velocidad de las burbujas dispersas en el líquido aumenta conforme se incrementa el flujo de vapor.

2. Flujo Tipo Tapón: A medida que el flujo de vapor aumenta, las burbujas se unen y forman tapones los cuales ocupan la mayoría del área de sección transversal. Alrededor de cada tapón de vapor hay una película laminar de líquido la cual fluye hacia el fondo del tapón. Tanto los tapones de líquido – vapor, como las burbujas de vapor cruzan los tapones de líquido. En el diseño para flujo bifásico se evita a toda costa este tipo de flujo, ya que presenta serias fluctuaciones de presión y vibración para los accesorios de la tubería. Si no puede evitarse, se utilizan codos de radio largo para hacer los retornos lo más suaves posibles.

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Flujo en dos fases Ingeniería de Fluidos 3. Flujo Espumoso: Destrucción de la película laminar de líquido debido a la turbulencia del vapor. El mezclado de burbujas de vapor con el líquido se incrementa y se forma un patrón turbulento y desordenado. La transición a flujo anular es el punto en el cual la separación líquida, entre tapones de vapor desaparece y los tapones de vapor se unen en un núcleo central continuo de vapor.

4. Flujo Anular: La separación entre las fases es afectada por la gravedad: hacia arriba, la película de líquido anular baja por gravedad, lo cual incrementa la diferencia de velocidad entre el vapor y el líquido; por el contrario, hacia abajo, la gravedad acelera el líquido y reduce la diferencia de velocidades entre el vapor y el líquido.

5. Flujo Tipo Disperso: Este regimen de flujo es esencialmente el mismo que el flujo tipo rocío en tuberías horizontales. Los altos flujos de vapor requeridos para dispersar completamente el líquido, eliminan esencialmente los efectos de la orientación y dirección del flujo. 4

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Regímenes de flujo en tuberías horizontales o ligeramente inclinadas

Existen 7 regímenes principales de flujo para describir el flujo en una tubería horizontal o ligeramente inclinada. En orden creciente de velocidad del vapor: 1. Flujo Tipo Burbuja: El líquido ocupa el volumen de la sección transversal y el flujo de vapor forma burbujas a lo largo del tope de la tubería. Las velocidades del vapor y el líquido son aproximadamente iguales. Si las burbujas tienden a dispersarse a través del líquido, se le conoce como flujo tipo espuma.

2. Flujo Intermitente Tipo Pistón: Formación de secciones alternadas de líquido – vapor a lo largo del tope de la tubería, cuando este último aumenta. Se tiene una fase líquida continua en el fondo. Dependiendo de la orientación del flujo, el comportamiento tiende a ser el del tipo burbuja (cuando es ascendente) o del tipo estratificado (cuando es descendente).

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Flujo en dos fases Ingeniería de Fluidos 3. Flujo Estratificado Suave : El incremento del flujo de vapor ocasiona que se forme una fase continua de vapor, la cual fluye a lo largo del tope de la tubería; mientras que el líquido fluye a lo largo del fondo. La interfase entre fases es relativamente suave y la fracción ocupada por cada fase permanece constante. De acuerdo a la orientación del flujo, si es descendiente y la inclinación de la tubería no es muy grande, se favorece el flujo estratificado.

4. Flujo Estratificado Ondulante : El aumento del flujo de vapor conlleva un aumento en la velocidad del mismo, lo que a su vez, ocasiona que la fricción en la interfase forme olas en el líquido.

5. Flujo Intermitente Tipo Tapón: La formación de tapones espumosos, cuya velocidad es mayor a la velocidad promedio del líquido, se da cuando el flujo de vapor alcanza cierto valor crítico capaz de hacer que las crestas de las olas de líquido tocan el tope de la tubería. El líquido es presionado hasta que el vapor ocupa la mayor parte del área de flujo en ese punto. Este tipo de flujo se evita lo más posible, ya que produce vibraciones en los accesorios. Si la orientación es descendente, se necesitan caudales de vapor más altos que en tuberías horizontales para establecer el flujo tipo tapón y el comportamiento se desplaza hacia el flujo anular.

6. Flujo Anular: El líquido fluye como una película anular de espesor variable a lo largo de la pared, mientras que el vapor fluye como un núcleo a alta velocidad en el centro. Hay gran cantidad de deslizamiento entre las fases: parte del líquido es extraído fuera de la película por el vapor y llevado al centro en forma de gotas. La película anular en la pared es más espesa en el fondo. El flujo anular es un régimen muy estable, en el que se favorece la transferencia de masa vapor–líquido. 6

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7. Flujo Tipo Disperso o Tipo rocío: Ocurre cuando la película del líquido se separa de la pared debido a que la velocidad del vapor es demasiado alta y es arrastrada en forma de gotas por el vapor. Este régimen de flujo es casi completamente independiente de la orientación de la tubería o de la dirección del flujo.

Efecto de Accesorios en Regímenes de Flujo Los accesorios pueden afectar fuertemente la mezcla de vapor–líquido.   

Codos: tienden a separar el flujo, haciendo que el líquido siga por el contorno de la pared Válvulas y otras restricciones de flujo: dispersan a las dos fases. “T”: separar las corrientes de flujo

Determinación del régimen de flujo A continuación se presenta un mapa de flujo de régimen en función de las velocidades superficiales, realizado por Chhabra y Richardson. La velocidad superficial hace referencia a la velocidad con que circularía el fluido circulara un flujo volumétrico idéntico por toda la sección, como si circulara sólo por la misma.

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Mapa de regímenes de circulación de flujo bifásico horizontal

Cálculo de las pérdidas de energía mecánica y las fracciones de fluido Una vez que es conocido el régimen de circulación de un determinado flujo bifásico a partir de los flujos másicos o volumétricos individuales de cada una de las fases, el cálculo para poder determinar la pérdida de carga (pérdidas de energía mecánica) como la fracción volumétrica de cada fase mientras circula (relacionado con la velocidad media de cada fase) es muy compleja. Existe un método empírico sencillo, de Lockhart-Martinelli, con el cual se puede estimar de forma aceptable la pérdida de presión de un flujo bifásico a partir de un coeficiente X, denominado de LockhartMartinelli: +¿

P ∆ L ∆ PG ¿ ¿ ¿ X=¿

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Flujo en dos fases Ingeniería de Fluidos Donde Δpi son las pérdidas de presión que sufrirá cada fase en caso de circular en solitario por la misma tubería. A partir de este parámetro puede estimarse la fracción volumétrica de líquido en la tubería mediante la correlación Farooqi-Richardson.

ε L =0.186+0.19 1 X 1< X