¿Qué es el factor de fricción Fanning?

El factor de fricción de Fanning es un elemento en el cálculo de la pérdida de presión debido a la fricción en una tubería. Es una función de la rugosidad de la tubería y el nivel de turbulencia dentro del flujo de líquido. Estos factores pueden determinarse experimentalmente, pero con mayor frecuencia se toman de cuadros y diagramas. Los números no tienen dimensión, lo que significa que no tienen unidades de medida.

La presión del líquido que fluye a través de una tubería disminuye debido a la fricción entre las paredes interiores de la tubería y el líquido en movimiento. Las bombas o la gravedad deben proporcionar la energía para mover el líquido. En tuberías muy largas, la caída de presión debido a la pérdida por fricción será tan alta que el líquido no fluirá en absoluto. Las tuberías, como el oleoducto de Alaska, requieren estaciones de bombeo intermedias para aumentar la presión.

Una comprensión de la pérdida de presión que ocurre cuando los líquidos se mueven a través de las tuberías es esencial en cualquier aplicación de tuberías. Es crítico para los procesos químicos que usan tuberías como reactores de flujo tubular. Las tuberías utilizadas como reactores producen condiciones de reacción en las que la temperatura y la presión se controlan fácilmente. El tiempo de residencia de la reacción y el grado de finalización de la reacción es una función de la longitud de la tubería.

Las reacciones exotérmicas emiten calor a medida que progresan. Para mantener las condiciones isotérmicas y un factor de fricción Fanning constante, la tubería tendrá que enfriarse en una dirección contracorriente. Las reacciones endotérmicas, que absorben calor, requerirán el tratamiento opuesto. Si no se mantienen las condiciones isotérmicas, los cálculos que utilizan el factor de fricción de Fanning deberán satisfacer el cambio de viscosidad y fricción que se produce cuando el líquido se calienta o enfría.

Los números de Reynolds son medidas adimensionales del grado de turbulencia en el líquido. En el flujo laminar con números de Reynolds inferiores a 2.000, el líquido se mueve con un perfil de velocidad en forma de bala y poca mezcla. La velocidad máxima se produce en el centro de la sección transversal de la tubería y es el doble del flujo promedio del líquido. El flujo turbulento, con mezcla completa, ocurre en números de Reynolds superiores a 3.000. Una zona de amortiguación delgada, con números de Reynolds entre 2,000 y 3,000, ocurre entre las zonas laminar y turbulenta.

Se puede determinar un factor de fricción de Fanning midiendo las caídas de presión a través de la tubería que tiene un diámetro lo suficientemente grande como para ser escalable para operaciones de campo o planta. Típicamente, estos experimentos se realizan si se necesitan condiciones de flujo laminar. Más comúnmente, el factor de fricción de Fanning se lee de una tabla, ya que la mayoría de los reactores de flujo de tapón se operan con altos números de Reynolds.

La rugosidad de la superficie del interior de la tubería se determina por medición. El número de Reynolds se calcula a partir del diámetro de la tubería, la viscosidad del fluido y la caída de presión. Las gráficas del factor de fricción de Fanning contra el número de Reynolds para tuberías de rugosidad variable están disponibles en los manuales de ingeniería. Estos libros también tienen tablas de rugosidad de la superficie de varios materiales.