Dimensionamiento de tuberías de vapor — velocidad y caída de presión

Dimensionamiento de tuberías de distribución de vapor según la velocidad, la caída de presión y las tablas de capacidad.

steampipesizingCalculadora

Descripción general

El dimensionamiento de tuberías de vapor equilibra la presión disponible contra las pérdidas por fricción y accesorios para entregar una presión de vapor adecuada en el punto de uso. La presión disponible para la distribución es igual a la diferencia entre la presión de salida de la caldera y la presión mínima requerida en el consumidor. Esta presión disponible debe superar tanto las pérdidas mayores (fricción en la tubería) como las pérdidas menores (accesorios, válvulas, codos) en todo el sistema.

Un dimensionamiento adecuado evita una caída de presión excesiva que priva de suministro al equipo final, manteniendo las velocidades dentro de los límites recomendados para prevenir la erosión y el ruido.

Fórmulas principales

Caída de presión disponible

$p = p_j - p_k$

El presupuesto de presión para todo el sistema de distribución — la diferencia entre la presión inicial de la caldera y la presión final requerida en el consumidor de vapor.

Caída de presión total del sistema

$p_t = p_{major} + p_{minor}$

La pérdida total es la suma de las pérdidas por fricción en tramos rectos de tubería y las pérdidas localizadas de los accesorios.

Pérdida mayor — Fricción por unidad de longitud

$p_a = \text{friction resistance per unit length of pipe}$

Para vapor de baja presión, la caída de presión empírica por cada 100 ft de tubería es:

$p_{a\text{-}100} = \frac{0.01306 \; q^2 \left(1 + \dfrac{3.6}{d_i}\right)}{3600 \; \rho \; d_i^{\,5}}$

Pérdida menor — Accesorios

$p_{minor} = \zeta \cdot \frac{\rho \, v^2}{2}$

Alternativamente, las pérdidas menores pueden expresarse como una longitud equivalente de tubería recta, simplificando los cálculos combinados:

$p_t = p_a \left( l + l_e \right)$

donde $l$ es la longitud real de la tubería y $l_e$ es la longitud equivalente total de todos los accesorios.

Variables

Símbolo	Descripción	Typical Unit
$p$	Available pressure drop	Pa, psi
$p_j$	Initial (boiler) pressure	Pa, psi
$p_k$	Final (consumer) pressure	Pa, psi
$p_t$	Total system pressure drop	Pa, psi
$p_{major}$	Friction pressure loss in pipes	Pa, psi
$p_{minor}$	Pressure loss in fittings	Pa, psi
$p_a$	Friction resistance per unit length	Pa/m, psi/ft
$p_{a\text{-}100}$	Pressure drop per 100 ft pipe	psig / 100 ft
$q$	Steam mass flow rate	lb/h
$d_i$	Pipe inside diameter	in
$\rho$	Steam density	lb/ft³
$\zeta$	Loss coefficient for fitting	—
$l_e$	Equivalent length of fittings	m, ft

Velocidades típicas de vapor

3 filas

Velocidades recomendadas de tuberías de vapor para equilibrar la caída de presión y el riesgo de erosión.
Tipo de vapor	Velocidad (m/s)	Velocidad (ft/s)
Exhaust steam	20 – 30	70 – 100
Saturated steam	30 – 40	100 – 130
Superheated steam	40 – 60	130 – 200

Fuente: engineeringtoolbox.com

Calculadora de caída por fricción

Caída de presión por cada 100 ft — Vapor de baja presión

Caudal (q)(lb/h)

Diámetro interior (d_i)(in)

Densidad del vapor (ρ)(lb/ft³)

Convertidor de Unidades

Convertidor de Unidades para Dimensionamiento de Tuberías de Vapor

Presión(psi)

Longitud de la tubería(ft)

Flujo de vapor(lb/h)

Velocidad(ft/s)

Diámetro interior de la tubería(in)

Señales de la Calculadora Fuente

La página fuente en caché contiene un formulario compartido y 58 elementos de entrada, incluyendo controles de búsqueda/diseño de Engineering ToolBox y del Convertidor de Unidades. Estos no son 59 calculadoras separadas para dimensionamiento de tuberías de vapor. La funcionalidad sustantiva de la fuente se conserva con la calculadora de caída de presión, la tabla típica de velocidad de vapor, las fórmulas de longitud equivalente, y el convertidor de unidades anterior.

Notas de Diseño

Presión disponible es igual a la diferencia entre la presión de la caldera y la presión mínima de entrega requerida en el consumidor más lejano. Este presupuesto impulsa la selección del diámetro de la tubería.
Una regla común es limitar la caída total de presión a 5–10% de la presión manométrica inicial por cada 100 m de longitud de tubería equivalente.
Sobredimensionar las tuberías reduce la fricción pero aumenta el costo de capital y la pérdida de calor debido a una mayor superficie. Subdimensionar causa escasez en los puntos de uso final.
La fórmula empírica para $p_{a\text{-}100}$ es válida para sistemas de vapor a baja presión. Para vapor a alta presión o sobrecalentado, use Darcy-Weisbach con factores de fricción apropiados y datos de propiedades del vapor.
Las tablas de longitud equivalente se utilizan comúnmente en la práctica para convertir accesorios (codos, tes, válvulas) en equivalentes de tubería recta, permitiendo un único cálculo de fricción para todo el recorrido.
Siempre verifique que las velocidades resultantes se mantengan dentro de los rangos recomendados para evitar la erosión de la tubería y el ruido excesivo.
Considere el condensado en la línea — el flujo bifásico aumenta la caída de presión efectiva más allá de los cálculos de flujo monofásico.

Referencias

Dimensionamiento de Tuberías de Vapor — Engineering ToolBox

Fuente: engineeringtoolbox.com