REVISTA
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rodigos@uisrael.edu.ec
• e-ISSN: 2697-3405
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Período octube - enero • 2024
Vol. 5, Núm. 3
Diseño de sistemas de tuberías aplicando los principios
básicos de la mecánica de uidos
Design of piping systems applying the basic principles of uid
mechanics
Fecha de recepción: 2024-07-30 · Fecha de aceptación: 2024-09-03 · Fecha de publicación: 2024-10-10
Maily Mayerli Montero Vera
1
Universidad Técnica Estatal De Quevedo
mmonterov3@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-8062-6362
Melanny Nohelia Ponce Anchundia
2
Universidad Técnica Estatal De Quevedo
mponcea@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0000-0616-3570
Johanna Elizabeth Vera Bustamante
3
Universidad Técnica Estatal De Quevedo
jverab13@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0004-9136-9491
Luis Fernando Jacome Alarcón
4
Universidad Técnica Estatal De Quevedo
ljacomea@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-1553-7591
https://doi.org/10.35290/ro.v5n3.2024.1378
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RESUMEN
Diseñar sistemas de tuberías que introducen principios de mecánica de uidos ha sido esencial para
crear sistemas ecientes y seguros. Los avances en modelado por computadora, nuevos materiales
y tecnología de monitoreo continúan mejorando el rendimiento y la sostenibilidad de estos sistemas,
permitiendo solucionar de manera más efectiva problemas persistentes y crear nuevas innovaciones
en la industria. Este artículo tuvo como objetivo proporcionar una amplia comprensión de cómo se
diseñan y operan los sistemas de tuberías y redes para el transporte de uidos.
Para lograrlo, se estudiaron las propiedades físicas de los uidos y se aplicaron los principios
fundamentales de la mecánica de uidos. Para la investigación se utilizó un enfoque descriptivo-
explicativo donde se hizo una revisión bibliográca de los diferentes conceptos relacionados a la
mecánica de uidos. El estudio concluyó que el diseño y la operación de sistemas de tuberías y
redes uidos es un campo de ingeniería que requiere de un conocimiento profundo cientíco y la
aplicación de tecnología avanzada.
PALABRAS CLAVE: mecánica de uidos, sistemas ecientes, tuberías, innovaciones en las
industrias
ABSTRACT
Designing piping systems that introduce uid mechanics principles has been essential to creating
efcient and safe systems. Advances in computer modeling, new materials and monitoring technology
continue to improve the performance and sustainability of these systems, allowing persistent
problems to be more effectively solved and new innovations created in the industry. This article aimed
to provide a broad understanding of how piping and network systems for uid transportation are
designed and operated.
To achieve this, the physical properties of uids were studied and the fundamental principles of uid
mechanics were applied. For the research, a descriptive-explanatory approach was used where a
bibliographic review of the different concepts related to uid mechanics was carried out. The study
concluded that the design and operation of uid piping and network systems is an engineering eld
that requires in-depth scientic knowledge and the application of advanced technology.
KEYWORDS: uid mechanics, efcient systems, piping, innovations in industries
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Introducción
Un diseño óptimo de tuberías es fundamental para el funcionamiento, mantenimiento y durabilidad
de toda la infraestructura de cualquier sistema, asegurando que estos no colapsen y que los
diferentes uidos o gases que trasladen se encuentren en buen estado.
Este artículo tuvo como objetivo proporcionar una amplia comprensión de cómo se diseñan y
operan los sistemas de tuberías y redes para el transporte de uidos (líquidos y gases). Para
lograrlo, se estudiaron las propiedades físicas de los uidos como densidad, viscosidad, presión
y temperatura, y se aplicaron los principios fundamentales de la mecánica de uidos, incluyendo
la conservación de la masa, energía y momento. Además, se abordó el dimensionamiento de
tuberías para diferentes aplicaciones industriales y domésticas, así como la implementación
de técnicas de control de ujo y presión mediante el uso de válvulas reguladoras, bombas y
compresores. Todo esto contribuyó a asegurar un sistema eciente y seguro, evitando problemas
o accidentes no deseados y cumpliendo con los principios fundamentales de la ingeniería, que
garantizan la ecacia y seguridad de los sistemas diseñados.
Metodología
La base de esta investigación tuvo un enfoque descriptivo-explicativo, fue una revisión detallada de
los estudios relacionados con diseños de sistema de tuberías. Se analizaron los siguientes puntos:
• Conceptos
• Ejemplos y casos prácticos
• Ecuaciones
• Herramientas computacionales
Resultados
Las tuberías son esenciales para cualquier proyecto de construcción, ya que son necesarias para
transportar líquidos y gases en sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado, agua y
aguas residuales. Sin la colocación de tuberías, estos sistemas no pueden funcionar de manera
eciente ni segura. Además, las tuberías son importantes para mantener la calidad del agua y el
saneamiento, y se vuelven cada vez más importantes en los diseños modernos. Por este motivo,
se debe crear un buen sistema de tuberías que permita mejorar la calidad y el estado de los
diferentes uidos que se trasladan a través de ellos.
Cabe recalcar que para poder conseguir un buen sistema de tuberías en las que las redes de
uidos no se vean afectadas y que estos no tengan problemas en la infraestructura, se deben de
estudiar y analizar algunos de los principios de la mecánica de uidos y así asegurar una mejor
seguridad en todos los aspectos.
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En primer lugar, es muy necesario trabajar con las diferentes magnitudes que existen, tanto en el
Sistema Internacional de Medidas (SI) como en el Sistema Ingles (Imperial). Las magnitudes más
comunes o utilizadas se pueden clasicar en diferentes tipos como las magnitudes fundamentales
de los sistemas absolutos, las magnitudes derivadas y las unidades, múltiplos y submúltiplos de
las magnitudes fundamentales del Sistema Internacional.
Seguido de esto, es de suma importancia conocer sobre los diferentes sistemas de medidas ya
que permite calcular y transformar las diferentes medidas de forma que se puedan manejar y
calcular de una mejor manera los diferentes problemas que se pueden presentar al momento de
realizar el sistema de tuberías como la altura que deben de existir, la presión con la que se maneja
los uidos y de esta forma tomar las medidas adecuadas para mejorar la seguridad industrial. A
continuación, se planteó un ejemplo:
Un tanque cilíndrico tarda 1 hora y 20 minutos en vaciarse. Suponiendo que su altura es 3 m y su
diámetro es 150 cm, determine su ujo volumétrico de salida en condiciones ideales en unidades
ociales y en L/min.
3.11 Fluidos
Como punto de partida, se debe conocer lo que es un uido y su movimiento. Para conocer las
propiedades de los diferentes uidos que existen cabe mencionar lo dicho en el libro de Mecánica
de uidos en la cual se ha mencionado que “La propiedad mecánica que distingue a los uidos
(gases y líquidos) de los sólidos es la facilidad que tienen para deformarse. Un sólido mantiene
una forma determinada mientras no se le aplique una fuerza externa.” (Fernández y Ortega, 2015,
p. 11).
Un uido no tiene una forma determinada, sino que toma la forma de su recipiente. Sin embargo,
la diferencia entre sí es que los primeros se adaptan a la forma de su recipiente y los segundos se
caracterizan por tener poca atracción en sus moléculas, por lo que pueden comprimirse perdiendo
volumen y forma. Aunque tanto los líquidos como los gases se consideran uidos, en los uidos
de las fuerzas interminaculares facilitan el movimiento de las partículas. Además, tienen masa
constante a diferencia de los gases en los que las partículas individuales se mueven, chocan entre
sí y se dispersan, no tienen un volumen denido.
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3.2. Propiedades de los uidos
3.2.1. Viscosidad
El autor Heras (2011) menciona que: “La viscosidad es la propiedad distintiva de los medios-
uidos, pues relaciona la fuerza cortante aplicada por unidad de supercie con la velocidad de
deformación resultante” (p. 36)
Además, ha señalado que
“La viscosidad se utiliza para evaluar la resistencia de los uidos a uir por el interior
de conductos o a derramarse por oricios (cuanto mayor es la viscosidad, mayor es la
resistencia). La unidad de la viscosidad dinámica, µ, en el sistema internacional es el
[Pa·s].” (Heras, 2011, p. 36)
Viscosidad absoluta o dinámica
Yambombo (2012) menciona que la viscosidad absoluta es la propiedad del uido y expresa la
resistencia al corte ofrecido por el uido cuando se mueve. La viscosidad dinámica es directamente
proporcional a la tensión de cortadura, e inversamente proporcional a la velocidad angular.
Donde:
• u = Viscosidad absoluta (N·s/m²) o [kg/(m·s)]
• T = Tensión de cortadura (N) o (kg)’’ (Gustavo, 2012, p. 7)
Viscosidad cinemática
Yambombo (2012) señaló:“Es la viscosidad absoluta dividida entre la densidad. En el sistema
internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m²/s)” (p.
27).
Donde:
• ν = Viscosidad cinemática del uido (m²/s)
• μ = Viscosidad dinámica o absoluta del uido (kg·s/m²)
• ρ = Densidad del uido (kg·s/m⁴)’’ (Gustavo, 2012, p. 7)
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En los líquidos, cuando la temperatura aumenta la viscosidad disminuye, mientras que en tanto
en los gases, si la temperatura aumenta la viscosidad también aumenta. El efecto de la presión
sobre la viscosidad de los líquidos y la de los gases perfectos es tan pequeño que no tiene interés
práctico en la mayor parte de problemas para ujo de uidos (Yambombo, 2012)
Inuencia de la viscosidad en el ujo uidos
La viscosidad inuye en diversos aspectos del ujo de uidos, incluyendo:
• Pérdidas de carga por fricción en tuberías:
La pérdida de energía por fricción es debida al rozamiento del uido con las paredes de la tubería
o del conducto. Esta pérdida, continúa en la dirección del ujo, puede resultar considerable en
tramos largos y, por el contrario, ser despreciable en tramos cortos (Yambombo 2012).
• Número de Reynolds:
Terán et al. (2018) indicaron que el número de Reynolds se considera como una razón entre la
fuerza de inercia y la viscosidad. El número de Reynolds es inversamente proporcional a la fuerza
de corte.
Donde:
• Re: Número de Reynolds.
• V: Velocidad del ujo.
• d: Diámetro de la tubería.
• ν: Viscosidad cinemática.
Si:
• Re>2000Re > 2000Re>2000, Flujo Turbulento.
• Re<2000Re < 2000Re<2000, Flujo Laminar.’’ (Herrera et al, 2018, p. 35)
3.2.2. Densidad
Para entender lo que es la densidad dentro de las propiedades debemos de centrarnos en el
concepto brindado por Sandoval (2018) quien dene la densidad como “la cantidad de masa por
unidad de volumen de una sustancia, relacionada con el grado de compactibilidad de la misma y
se calcula matemáticamente como la relación masa a volumen” (p. 16)
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Fórmula.
Sistema Internacional
ρ = m/V.
Peso especíco.
Para entender el peso especíco dentro de los uidos, el mismo autor señala que:
Esta variable es de gran importancia en los temas de otabilidad de cuerpos sumergidos
en uidos, ecuación general de energía y potencia de bombas. Es la cantidad de peso por
unidad de volumen de una sustancia. Se calcula como el cociente peso a volumen o como
el producto densidad por gravedad, tomando generalmente la gravedad como 9.8 m/s2.
(Sandoval, 2018, p. 18)
Según lo expuesto, se concluye que el peso especíco es una propiedad crítica en la mecánica de
uidos que inuye en el diseño, análisis y operación de sistemas que involucran uidos. En este
caso de tuberías, la comprensión y correcta aplicación son esenciales para garantizar la eciencia
y seguridad de estos sistemas.
3.2.3. Presión
Para comprender lo que es la presión tengamos en cuenta el siguiente concepto.
En su forma más básica se puede entender la presión como una fuerza que ejerce un
uido sobre una supercie, para el estudio de la mecánica de uidos nos interesa el
estudio de la presión de líquidos dentro de espacios connados o también su presión con
respecto a otra para ello se describe en la presión manométrica y absoluta” (Barahona et
al., 2022, p. 2)
La presión adecuada garantiza que el uido se transporte ecientemente a lo largo de todo el
sistema de tuberías, superando la resistencia y las pérdidas por fricción a lo largo del camino. Por
lo tanto, la presión del uido es un parámetro básico en el diseño, operación y mantenimiento de
sistemas de tuberías, afectando directamente el rendimiento, seguridad y conabilidad del sistema.
3.3. Diseño de redes de uidos.
El diseño es la etapa en la que se sientan las bases de un sistema que funciona de manera
eciente y segura. En esta etapa, es importante realizar un análisis exhaustivo de los requisitos del
sistema. Factores como:
• Tipo de líquido transportado.
• Presión y temperaturas adecuadas.
• Punto de suministro y consumo.
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En la fase de diseño, se debe de contar con un plano detallado que muestre la ubicación de
tuberías, conexiones, válvulas de control y cualquier otro componente requerido por la red
hidráulica para minimizar la presión de pérdidas y asegurar un ujo estable.
3.3.1. Dimensionamiento de tuberías:
El tamaño de las tuberías debe ser adecuado para manejar el caudal requerido sin causar una
caída de presión excesiva. Esto implica cálculos detallados de diámetro, longitud y grosor de las
paredes de las tuberías.
3.3.2. Análisis de presión y pérdidas de energía:
Es fundamental realizar un análisis detallado de la presión a lo largo de la red de tuberías para
evitar problemas como cavitación y fallos estructurales. Las pérdidas de energía deben ser
minimizadas para mejorar la eciencia del sistema.
3.3.3. Innovaciones tecnológicas
La tecnología ha avanzado signicativamente en el campo del diseño y operación de sistemas de
tuberías:
• Simulación computacional: Los métodos de simulación por computadora, como la
dinámica de uidos computacional (CFD), permiten modelar y predecir el comportamiento
de los uidos en sistemas complejos. Estos modelos ayudan a optimizar el diseño y a prever
posibles problemas antes de la construcción física.
• Nuevos materiales: La investigación en materiales ha llevado al desarrollo de polímeros
avanzados y materiales compuestos que ofrecen mayor resistencia a la corrosión y menores
costos de mantenimiento. Estos materiales también pueden reducir las pérdidas de energía
al tener supercies internas más lisas.
• Tecnología de sensores: Los sensores avanzados pueden monitorear en tiempo real las
condiciones dentro de las tuberías, detectando cambios en la presión, temperatura y ujo.
Esta información permite una gestión más precisa y oportuna del sistema.
• Inteligencia articial y machine learning: Estas tecnologías se están utilizando para
predecir fallos y optimizar las operaciones del sistema. Los algoritmos de machine learning
pueden analizar grandes cantidades de datos para identicar patrones y prever problemas
antes de que ocurran.
Acerca de estas tecnologías, se ha mencionado que:
La implementación de las técnicas de machine learning, utiliza el entorno de programación
Jupyter empleando el lenguaje de Python, que requiere la carga de la data set,
preprocesamiento, ajuste del algoritmo, modelamiento, predicción y evaluación del código.
Los dos algoritmos de clasicación Árboles de Decisiones (del inglés Decision Trees) y
Máquinas de Soporte Vectorial (del inglés Support Vector Machines, SVM), permiten un
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aprendizaje supervisado que se adaptan muy bien a los datos que se desean procesar y
son herramientas ecientes para la solución de problemas de clasicación. (Gámez 2021,
p. 49)
3.4. Modelo de redes de tuberías.
El indispensable conocer el modelo sobre el cual se debería de crear un sistema de tuberías
adecuado en el cual se priorice la seguridad industrial y que los uidos que llegue a su destino de
forma correcta.
El objetivo principal del modelado enfocado a la construcción de redes de tuberías es
simular el comportamiento hidráulico de los uidos. Un esquema típico usado en muchos
problemas de mecánica de uidos es el modelo en estado estacionario, el cual consiste en
establecer condiciones estables en la red, en un instante/punto del tiempo (Valle Tamayo
et al., 2018, p. 2)
Un modelo preciso permite optimizar el diseño de la red de tuberías garantizando que se ha
deslizado los materiales para satisfacer las necesidades del sistema. Esto puede conducir a
reducciones signicativas en los costos de construcción y mantenimiento.
Para resumir, un buen modelo de redes de tuberías es primordial para garantizar un diseño
de sistema de ductos eciente, seguro y sustentable. Puede optimizar los recursos, mejorar la
eciencia operativa, garantizar la seguridad y el cumplimiento, y reducir los costos durante todo el
ciclo de vida del sistema.
3.5. Elemento FLUID116
Es un elemento tridimensional con capacidad para modelar conducción de calor y
transporte de uidos entre dos nodos primarios I-J (gura 2). En este trabajo sólo se
emplea la opción de ujo, luego cada nodo poseerá un solo grado de libertad (la presión).
La tubería se idealiza con elementos FLUIDl16 y los tanques con tramos cortos de cabeza
de bombeo constante (Gómez et al., 2020, p. 8).
El elemento FLUID116 es de gran importancia en el análisis y diseño de sistemas de tuberías por
su capacidad para proporcionar un modelo preciso y detallado del comportamiento del ujo de
uidos. Esto permite a los ingenieros optimizar el diseño del sistema, garantizar el rendimiento y
la conabilidad del sistema y reducir los costos asociados con el desarrollo y mantenimiento del
sistema.
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Figura 1
Tubería con Elemento FLUID116.
Con el FLUID116, como se ve en la Figura 1, se puede trabajar con temperatura y presión. Dado
que el propósito de este trabajo es resolver el problema de ujo, a continuación, se presenta la
ecuación de equilibrio simplicado del sistema.
La ecuación básica del problema tiene la forma:
(9)
En (9), [K p] = matriz de conductividad de presión
para un canal de ujo1
{P} = vector de presión nodal
{w} = vector de ujo de uido nodal
{H} = vector de efectos de gravedad y bombeo para un canal de ujo.
(Rodríguez y Pallares, 2006, p. 71)
Conclusiones
El diseño y la operación de sistemas de tuberías y redes uidos es un campo de ingeniería que
requiere de un conocimiento profundo cientíco y la aplicación de tecnología avanzada. Los
principios de la mecánica de uidos combinados con innovaciones en materiales y tecnología
de monitoreo crean sistemas ecientes y seguros. Sin embargo, los desafíos actuales, como la
pérdida de energía y la integridad estructural, requieren una mejora y un enfoque multidisciplinario.
Gracias a los continuos avances en modelo, nuevos materiales y tecnología de inteligencia
articial, el futuro de los sistemas de tuberías promete ser más innovador y eciente,
contribuyendo signicativamente a la sostenibilidad y la seguridad en diversas industrias.
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