Las válvulas mariposa son componentes muy utilizados para el transporte de fluidos a través de tuberías. Dentro de estas válvulas, destacan las válvulas mariposas de doble excentricidad por tener ciertas ventajas como por ejemplo la reducción del desgaste de su sellado en comparación con las válvulas mariposas clásicas. Sin embargo, su asimetría origina un comportamiento más crítico en cuanto a las características hidráulicas del flujo, como son: la pérdida de carga, la distorsión del perfil de velocidades y el riesgo a la cavitación. Como es usual utilizar estas válvulas para control on-off de flujos, se desean bajas pérdidas de carga en su posición totalmente abierta. Cuando estas válvulas se sitúan directamente en el ingreso de turbomáquinas, es importante conocer el grado de distorsión del perfil de velocidades que entra en la máquina ya que ésto modifica los ángulos de ataque del flujo con los álabes y con ello el punto de operación. Y si se opera con presiones bajas también se debe considerar el riesgo de cavitación en partes de la válvula donde se eleve localmente la velocidad. Son estas tres características las que se estudiarán en una válvula mariposa previamente diseñada en la PUCP, con el fin de mejorar la geometría original y con ello su comportamiento hidráulico. Idealmente, se deben realizar ensayos experimentales para conocer el comportamiento hidráulico, pero estos métodos generalmente resultan muy costosos. Una alternativa utilizada hoy en día para la optimización de productos es el estudio computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) el cual tiene ciertas ventajas, ya que entrega la información de todos los puntos del dominio y permite realizar cambios en la geometría o en el flujo de forma rápida y menos costosa. En el presente trabajo se realiza el análisis CFD de una válvula mariposa de doble excentricidad con un diámetro nominal de 610mm, en posición completamente abierta con un caudal aproximado de agua de 1 m3/s a 10ºC lo que implica una velocidad media en la tubería de aproximadamente 3.5 m/s. Para ello se utilizó el programa ANSYS CFX 14.0 y se empleó el modelo de turbulencia SST. Luego, se realizó una modificación del diseño original para obtener un diseño alternativo el cual es incluso un 2% más ligero. Lo más importante fue que se consiguió una reducción del 38.3% del coeficiente de pérdidas del diseño original y se aumentó un 40.4% la resistencia a la cavitación del diseño original. Sin embargo, al igual que en el diseño original, el flujo recién comienza a recuperar la forma que tenía antes de ingresar a la válvula después de 14 diámetros nominales aguas abajo de la misma. / Butterfly valves are components used for the transport of fluids through pipes. Among these valves, double eccentric butterfly valves have certain advantages, for example the reduction of wear in the sealing system compared to classic butterfly valves. However, its asymmetry originates some problems in the hydraulic characteristics of the flow such as: pressure loss, distortion of the velocity profile and the risk of cavitation. It is usual to use these valves in the control on-off of flows and because of that, minimum losses are desired when the valves are fully opened. When these valves are located directly at the inlet of turbomachinery, it is important to know the degree of distortion of the velocity profile that enters the machine because this can modify the angles of attack of the flow with the blades and thus the point of operation. And if the valve operates with low pressures, it will be necessary to study the risk of cavitation in the regions of the flow with high velocities. These three characteristics are going to be studied in a butterfly valve previously designed at PUCP, in order to improve the original geometry and its hydraulic behavior. Ideally, experimental methods are required in order to know the hydraulic behaviour, but these methods are usually very expensive. An alternative used today for the optimization of products is the computational study CFD (Computational Fluid Dynamics), which has certain advantages, since it gives information of all the points of the domain and allows the researcher to make fast and inexpensive changes in geometry or flow conditions. In this work, a CFD analysis of a double eccentric butterfly valve is done. The nominal diameter of the valve was 610mm and the valve was fully opened. Its nominal flow was approximately 1 m3/s of water at 10 °C which implied a mean velocity of the flow of 3.5 m/s. The CFD simulation was done using ANSYS CFX 14.0 and the SST turbulence model was used. Then, a modification of the original design was made in order to obtain an alternative design which was 2% lighter. The most important achievement was that the alternative design had a reduction of 38.3% of the loss coefficient of the original design and had an increased of 40.4% of the cavitation resistance of the original design. However, the same as the original design, the flow started to achieve a uniform velocity profile after 14 nominal diameters, downstream of the valve. / Tesis

El análisis de flexibilidad es una de las disciplinas del diseño de sistemas de tuberías, se realiza en la etapa final de diseño y comprende principios de concentración de esfuerzos, expansiones térmicas y deformaciones elásticas. Este análisis es crítico en aplicaciones donde el fluido a transportar trabaja a condiciones extremas, como plantas térmicas y generadoras de energía, donde el sistema está sometido a altos gradientes de temperatura que conllevan a la generación de tensiones debido a expansiones o contracciones térmicas. El análisis teórico es de carácter limitativo debido el comportamiento aleatorio del sistema frente a ciertas condiciones de trabajo Por esta razón, los diseñadores optan por la utilización de softwares de análisis como CAEPIPE, CEASAR II, ANSYS, entre otros. Estas herramientas ofrecen resultados confiables; sin embargo, son vistos como “cajas negras”, donde el usuario manipula las variables de entrada. La teoría detrás de estas herramientas de cálculo, muchas veces, son ignoradas por los usuarios. Este trabajo apunta a desarrollar los principios teóricos utilizados para realizar este tipo de análisis, ofrecer herramientas de cálculo sencillas para analistas e investigadores independientes sin acceso a softwares de diseño y mostrar elementos de alivio de tensiones ofrecidos en el mercado actual. La estructura de la trabajo consiste en cuatro capítulos, donde se desarrollarán los principios teóricos básicos de la generación de esfuerzos; el desarrollo de la metodología de diseño de los códigos según ASME; tipos, principios de funcionamiento y criterios de selección de soluciones constructivas para aliviar las tensiones generadas; y, finalmente, el desarrollo de un ejemplo de cálculo que ponga en práctica los conceptos vertidos en los capítulos anteriores, así como, la presentación de casos comunes que complementen las nociones básicas para brindar flexibilidad a sistemas de tuberías. / Tesis

El presente trabajo brinda resultados de ensayos experimentales realizados para la determinación de la longitud, dimensiones de la sección transversal y la rugosidad absoluta que debe tener el canal de disipación aguas arriba un aforador Parshall, el cual se plantea como una propuesta de solución a un problema identificado en un proyecto real dentro de la actividad minera. El estudio se aplica en una parte de la conducción del flujo de líquidos originados en el proceso de lixiviación de minerales, para lo cual básicamente se cuenta con una estructura conformada por un sistema de tuberías de colección de la solución lixiviada, la que luego se conecta una tubería denominada principal, la cual descarga a un canal de aproximación (disipador de energía) y a un aforador Parshall. Es en este canal de disipación en que el flujo impacta en la base del canal produciéndose un flujo turbulento en el aforador, lo cual origina gran imprecisión en la medición del caudal que atraviesa por este. Por lo tanto, se propone el dimensionamiento y las características de rugosidad para el canal de disipación, tal de obtener un flujo en régimen subcrítico, aguas abajo del flujo en régimen supercrítico. De esta manera se cumplirá con las condiciones que requiere el aforador Parshall para su correcto funcionamiento. La solución al problema identificado, que se halló mediante el presente trabajo de tesis está basado en el desarrollo y la aplicación de un modelo físico del prototipo, construido a escala, cuyo diseño cumple la teoría de semejanza semejanza hidráulica. La fabricación del modelo, se realizó tomando en cuenta las condiciones y restricciones existentes del lugar donde fue instalado para fines de los ensayos a realizar, es decir, en el Laboratorio de Hidráulica de la Pontificia Universidad Católica del Perú. / Tesis

Esta tesis establece un procedimiento de análisis de las tensiones generadas por la dilatación térmica en tres arreglos de tuberías: una tubería simple enterrada, una tubería con un cambio de dirección de 90° y una tubería enterrada con un cambio de dirección de 90°. Para darle solución a cada uno de los casos se analizan los esfuerzos térmicos por dos vías diferentes: la simulación numérica mediante el programa ANSYS y por teorías de resistencia de materiales. El planteamiento de estos dos métodos da la ventaja de corroborar los valores obtenidos verificando que sean similares entre sí y a la vez analizar los comportamientos complejos de ciertos parámetros en la tubería. Para plantear el análisis por resistencia de materiales se explica los siguientes conceptos: dilatación térmica, esfuerzo térmico, longitud virtual entre apoyos, modelo analítico del terreno, flexión en vigas, vigas sobre fundación elástica y teorías de falla. Junto con los conocimientos anteriores es posible, para cada caso, simplificar el modelo teórico y así obtener valores de tensión crítica por medio del procedimiento realizado con los conceptos estudiados. Luego se plantea el estudio por simulación numérica usando modelos lineales para las tuberías y de resortes para el terreno. Se confirma la validez de la simulación como método de análisis al contratar valores con el planteamiento teórico y obtener porcentajes de similitud del grado del 83 – 98 %. Además es posible analizar con mayor profundidad cada caso ya que la simulación da las herramientas suficientes para ver el comportamiento de la dilatación y fuerza a lo largo de la tubería y obtener los esfuerzos máximos (que varían de 35 a 166 MPa según el arreglo de tubería) para realizar un análisis de fallas. / Tesis

Actualmente, la investigación en el sector energético se encuentra en continuo desarrollo. Asimismo, el número de ingenieros diseñadores de centrales hidroeléctricas aplicables a las condiciones del Perú está en aumento, lo cual se evidencia en la ampliación de nuevos proyectos hidroeléctricos. Sin embargo, solo se ha explotado un 5% del potencial hidroenergético en el país. Por ello, para contribuir con la investigación, la presente tesis propone 3 aspectos a considerar en el plan de diseño de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas de agua fluyente para una etapa de prefactibilidad: un análisis económico de los costos para la optimización del diámetro, un conjunto de simulaciones fluido-dinámicas mediante el uso del software ANSYS, y un predimensionamiento de las estructuras que componen la tubería forzada. El análisis económico de la tubería forzada se centra en definir el diámetro óptimo de diseño mediante dos métodos: el método tradicional (Mosonyi, 1965) y el nuevo método detallado que propone la presente tesis. El primero consiste en una comparación de costos anuales entre las partidas de mantenimiento y costo de energía no vendida. El segundo método consiste en la comparación de costos de inversión de diferentes variables entre los cuales se pueden encontrar los costos de equipamiento hidromecánico, concreto, transporte, excavación, montaje, bajo dimensionamiento y mantenimiento. Estos factores mantienen una relación directa con el diámetro que se le asigne a la conducción a presión por lo que se pueden estimar costos en función a dicho diámetro para establecer el diámetro óptimo. Con respecto a las simulaciones fluido-dinámicas, el software ANSYS permite estudiar los efectos que se presentan frente a disminución del diámetro que solo se había analizado mediante la teoría básica de la mecánica de fluidos. Mencionado estudio brinda una justificación más sólida al análisis económico ya que presente el mismo nivel de precisión que los modelos realizados a escala. En síntesis se podrá corroborar y dar mayor alcance a los criterios empleados en el análisis económico. Después de establecer el diámetro óptimo, se elaboran los diseños de las diferentes estructuras que componen la tubería forzada. Entre ellas se encuentran los machones verticales, bloques de apoyo, juntas de expansión, abrazaderas, anclajes y espesor de la tubería. Se exponen los criterios que se deben tener en cuenta para dimensionar cada una de las partes de la conducción a presión. El diseño es realizado a un nivel de pre-factibilidad, es decir, se omiten los cálculos correspondientes a la ingeniería de detalle, pero se establecen cálculos y consideraciones necesarios para establecer una geometría adecuada. / Tesis

El abordaje experimental se presenta como la primera mejor opción para el estudio de fenómenos físicos complejos. Este es el caso de las vibraciones generadas por flujo bifásico gas-líquido en tubo, donde una mezcla inmiscible de dos fluidos fluye en diversas configuraciones espaciales a través de un tubo induciéndole vibraciones. En la práctica, ese fenómeno es parte intrínseca de muchos procesos en industrias como la nuclear, petróleo y gas, refrigeración y generación de potencia. Instalaciones experimentales debidamente diseñadas para el estudio de este fenómeno son necesarias. Así, se presenta el diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico gas-líquido orientado al estudio de vibraciones inducidas por flujo. Se discuten aspectos hidráulicos y estructurales. Se propone una novedosa metodología para la estimación de la presión de diseño, basada en un análisis fenomenológico. También se presentan criterios provenientes del código ASME B31 y de la práctica industrial para la evaluación de la integridad del tubo como elemento estructural. La metodología y los criterios citados fueron aplicados al caso de un tubo PVC Ø1” Sch.40 con agua y aire simulando las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Con los resultados obtenidos, los parámetros de selección de los equipos de bombeo y de aire comprimido fueron discutidos y un dimensionamiento fue realizado. La evaluación de costos arrojó un monto de S/. 120 371.2 para el valor total del proyecto, donde 12.8% representó la mano de obra para las etapas de diseño y construcción. El presente diseño garantiza la experimentación de flujo bifásico gaslíquido con confiabilidad y seguridad. Sus directrices podrían auxiliar en la concepción, diseño y construcción de bancos experimentales para el estudio de flujo bifásico en diversas condiciones. / Tesis

En el presente trabajo se ha realizado el diseño hidráulico de un sistema gravimétrico para transportar 202 m3/h de relave minero desde la planta procesadora de minerales hasta la presa de relaves, aprovechando un desnivel de 226 m. El diseño hidráulico ha sido conceptualizado como recepción, acondicionamiento, transporte y evacuación. La recepción y acondicionamiento del relave se logra con el sistema de recepción, el transporte se realiza a tubería llena presurizada y finalmente se evacúa el relave hacia el sistema de descarga a la presa de relaves con una presión requerida. El relave se ha caracterizado como una pulpa homogénea de 1.5 de densidad específica, 52.5% de concentración en peso y 29% de concentración en volumen, cuyo comportamiento viscoso es de tipo Bingham. Esta pulpa tiene partículas en suspensión de 27 μm en promedio, cuya densidad específica de sólido seco es de 2.7. Respecto al transporte, la línea se ha dividido en dos tramos de tubería con diferente diámetro. El primero comprende los primeros 190 m, con un diámetro nominal de 8 in y 1.9 m/s de velocidad media, mientras que el segundo, va hasta 970 m, con 6 in de diámetro nominal y 3.5 m/s de velocidad media. Al tratarse de un fluido con partículas suspendidas, es importante analizar la velocidad crítica de deposición, es decir, la velocidad a la cual las partículas empiezan a depositarse. Esta ha sido determinada mediante el modelo de Turian y Oroskar, dando como resultado 1.14 m/s y 0.95 m/s en el primer y segundo tramo respectivamente. Con respecto a la caída de presión, se ha usado el modelo de Darby para fluidos Bingham, dando como resultado 976.6 kPa (66.3 m.c.p.), lo cual equivale a 29% del desnivel disponible (226 m.c.p.). Como parte del diseño, se ha considerado la presencia de una estación de choque, la cual disipa la presión cerca del final de la línea y permite que se entre el relave al sistema de descarga a 55 PSIg. / Tesis

En este proyecto de tesis, se propone obtener los SIF de un accesorio lateral con ángulo entre ramal y cabezal de 30°, 45°, 60°, 75° y 90°; el mismo que no está reforzado y no estandarizado, fabricado con tubería de acero al carbono ASTM A53 grado B, con soldadura por arco eléctrico con penetración completa, mediante el desarrollo de un modelo matemático complementado con simulaciones numéricas y calibrado con ensayos existentes en la bibliografía [9]. Esto permite la elaboración de una herramienta de selección y diseño, que muestre los SIF para una variedad de geometrías no normadas de accesorios laterales propuestos en este proyecto de tesis. Además, se propone evaluar su variación respecto a parámetros geométricos establecidos acordes a la práctica. / Tesis

El documento digital no refiere un asesor / Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El estudio versa sobre el análisis de flexibilidad en un spool que conecta una caldera con una tubería existente; esto debido a que la empresa necesita un incremento en la cantidad de vapor en sus procesos. El análisis de flexibilidad predice los esfuerzos de las tuberías y las cargas que sufren los equipos producto de los gradientes de temperatura, el peso, la presión, acciones externas del viento y sismos; generalmente, es necesario realizar este estudio en tuberías que sufren grandes fluctuaciones de temperatura o en tramos largos de tuberías. Para el análisis se recopila toda la información necesaria sobre las líneas y equipos pertenecientes a cada uno; dicho análisis se realizará mediante un cálculo manual y se contrastará con el programa de análisis de esfuerzos en tuberías AutoPIPE. Para cada caso se verifica que los esfuerzos estén dentro de los rangos permisibles según la norma ASME B31.3. / Tesis

El objetivo principal de la presente tesis es presentar un procedimiento que permita calcular las deformaciones y tensiones residuales que se producen en las tuberías en el proceso de soldadura. Este análisis se realiza mediante simulación numérica, basada en el método de los elementos finitos y para ello se utilizan las herramientas del software ANSYS. El procedimiento considera los parámetros del proceso de soldadura, las dimensiones de las tuberías y de la junta, las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del material, dependientes de la temperatura y las condiciones de contorno, tanto térmicas como estructurales. Se aplicó la técnica del birth and death o técnica del elemento quieto para modelar la deposición del material de aporte. Asimismo, se empleó el modelo del doble elipsoide de Goldak para simular el efecto de la fuente de calor. En primer lugar, se resuelve el problema térmico y se obtiene un campo de temperaturas para cada paso de tiempo. Los resultados obtenidos son los datos de entrada para la solución del problema estructural, es decir, para determinar las tensiones residuales y deformaciones, ya que éstas se producen debido a los cambios de temperatura durante la soldadura. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con datos de resultados experimentales disponibles en la literatura para validar el procedimiento. Se observa que los resultados obtenidos por simulación tienen una correlación cercana con los resultados experimentales. Finalmente, se aplicó el procedimiento a un caso de estudio, la soldadura en un gasoducto. Se obtuvieron resultados de temperaturas, de tensiones residuales axiales y circunferenciales y de deformaciones axiales. Los resultados de las tensiones residuales se compararon con los valores estimados según la norma API 579 / ASME FITNESS FOR SERVICE y demuestran que el procedimiento desarrollado en la presente tesis puede ser utilizado como una herramienta alternativa en el diseño y el control de la integridad de uniones soldadas en gasoductos basados en normas. / Tesis