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Cálculo de cálculo de perdidas de carga de fluidos compresibles: cómo ir más allá de la ley de gas ideal

Abr 24, 2020 | Mecánica de fluidos

Muchas ecuaciones utilizadas para la solución del flujo de gas en tuberías no tienen en cuenta rigurosamente la desviación del gas natural del comportamiento ideal del gas. Para el flujo de gas de baja presión, el error se considera bajo, sin embargo, para altas presiones, altas tasas de flujo, bajas temperaturas o cuanto más cerca esté el gas para cambiar en el estado de fase, este error puede ser significativo. Esta desviación de la idealidad debe tenerse en cuenta. Por lo tanto, es importante al modelar sistemas de flujo de tuberías de gas utilizar una herramienta de software que no haga los supuestos simplificadores de la idealidad del gas.

Ley de gas ideal

FLUIDFLOW no hace estas suposiciones simplificadoras, sino que resuelve las condiciones reales de gas utilizando una ecuación de estado. La aplicación simplificada de la ley de gas ideal (Pv nRT) hace varias suposiciones como se describe a continuación;

– Las partículas en un gas ideal están en movimiento constante, aleatorio y en línea recta.
– El volumen ocupado por las partículas es insignificante en relación con el volumen de la carcasa.
– Las colisiones entre partículas son elásticas sin pérdida de energía cinética.
– No hay fuerzas intermoleculares que actúen entre las partículas en un gas ideal.

Un gas ideal supone un gran número de partículas puntuales que colisionan elásticamente. Descuida cualquier fuerza intermolecular de corto alcance resultante de la repulsión o atracción debido a cargas moleculares y el hecho de que las moléculas tienen un volumen finito, es decir, no son infinitamente pequeñas! Esto significa que un gas real no es infinitamente compresible, mientras que un gas ideal no tiene tales limitaciones.

 

Perdidas de carga de los gases ideales: un modelo imperfecto

Aunque la ley de gas ideal puede ser una descripción simplificada útil de los gases, todos los gases reales no obedecen esta relación hasta cierto punto. La medida en que un gas real se aparta del comportamiento ideal se puede ver reorganizando la ecuación de gas ideal para resolver para n (PV/RT n). Esta forma de la ecuación nos dice que para 1 mol de un gas ideal (n-1), la cantidad PV/RT es igual a 1 a todas las presiones. Sin embargo, en las condiciones de flujo de gas real descritas anteriormente, un producto de PV dividido por RT ya no es igual a uno.

En el gráfico que se muestra en la Figura 1, podemos ver la desviación del gas nitrógeno del comportamiento ideal del gas. En el eje Y, tenemos el producto de PV/RT. En el eje X, tenían presión. La línea azul discontinua muestra el comportamiento de un gas ideal para el que el producto de PV/RT es igual a uno bajo cualquier condición. Las líneas discontinuas naranjas, grises y amarillas muestran la desviación del gas nitrógeno del comportamiento ideal del gas a diferentes temperaturas y presiones. Estas líneas discontinuas muestran una desviación considerable del comportamiento ideal del gas. Observe cómo las condiciones que producen esta curva son de alta presión y baja temperatura.

Simulación de nitrógeno gas real

Efecto de la temperatura y la presión sobre el comportamiento del gas nitrógeno

¿Cómo simular gases reales?

Como altas presiones, la desviación del comportamiento ideal es considerable y es diferente para cada gas. Los gases reales, por lo tanto, no se comportan idealmente a altas presiones.

Se observa en muchas fuentes literarias que las ecuaciones de gas ideales se pueden utilizar con cierto grado de precisión bajo ciertas condiciones específicas, es decir, a bajas presiones. Sin embargo, se debe tener precaución al aplicar la idealidad del gas y una comprobación exhaustiva de las condiciones de funcionamiento del sistema para garantizar que la solución de diseño esté dentro de los criterios.

FLUIDFLOW no hace la suposición simplificadora y a menudo propensa a errores de aplicar la idealidad del gas, sino que resuelve las condiciones reales del gas utilizando una ecuación de estado. El software, por lo tanto, tiene en cuenta el factor de compresión de gas (Z) y resuelve los sistemas de flujo de gas utilizando un algoritmo de marcha para la longitud incremental de la tubería. Esto garantiza un nivel mucho más alto de precisión de la solución.

La solución de los sistemas de flujo de gas se vuelve más compleja cuando se trata de mezclas de gas y sistemas grandes. Se recomienda seleccionar una herramienta de software adecuada para diseñar y resolver sistemas de flujo de gas en un intento de eliminar el potencial de errores resultantes de la simplificación del flujo de gas ideal.

En conclusión, meditemos en la siguiente cita:

«Los gases perfectos son como personas perfectas: no existen.»

Artículo escrito en Mai 2018 por James McLoone, Flite Software (FLUIDFLOW publisher) – Traducido en inglés por Marie-Amélie de Ville d’Avray, CASPEO

Calcule la pérdida de carga en tuberías para fluidos compressibles con el software FLUIDFLOW

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